[비즈한국] 黑洞是让所有宇宙爱好者着迷的存在。但从个人角度来看，我觉得“黑洞”这个名字与其名气相比，起得实在有些名不副实。如果直译，“黑洞”的意思就是“黑色的洞”。但事实上，黑洞并不“黑”。起初，黑洞本身没有颜色，因为它连光线都不会发射。由于引力太过强大，连光速都无法逃脱，为了表现时空中那个深不见底的黑暗，人们便随口给它安上了“黑”这个名字。我想，如果用“黑暗”或代表光线缺失的“Dark”之类的词，或许会更贴切一些。
令人尴尬的还不止于此。虽然黑洞因为巨大的引力而无法发光是事实，但硬要说它完全不产生光也不准确。严格来说，黑洞本身确实是黑暗的，但被黑洞引力捕获的周边物质在被加热到极高温度时会发出光芒。此外，由于黑洞周围强大的磁场，被加速的粒子也会释放出神秘的光。这种光极其强烈，以至于超出了可见光范围，释放出远超X射线和伽马射线水平的高能光束。虽然因为“无法发光”而得名黑洞，但它实际上是宇宙中释放光芒最强烈的存在。我觉得，从名字开始，黑洞就是一个充满了矛盾与神秘的存在。
最近，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）捕捉到了银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”（Sagittarius A*）发出的非常有趣的光。黑洞不仅喷发出高能光束，而且那光还在闪烁！天文学家将这一现象称为“黑洞闪烁（Blackhole’s flickering）”。
首先，我们需要理解宇宙中最深沉的黑暗周围，是如何与宇宙中最强烈的高能光束共存的。其主要机制发生在环绕黑洞的吸积盘上。如果黑洞周围有美味的“食物”（如气体云或恒星），它们会因为强大的引力逐渐被吸向黑洞。越靠近黑洞，速度就越快。如果还没进入黑洞的“事件视界”，这些物质就能以足够快的速度环绕黑洞，抵御引力并维持轨道。在这个过程中，高速运转的物质相互碰撞产生摩擦，从而变得极其炽热，甚至远超普通恒星的表面温度。因此，在吸积盘中可以观测到X射线。早些时候，通过X射线观测，我们就在银河系中心人马座方向发现了一个正在贪婪吞噬周边物质的可怕存在。
由于吸积盘不仅释放明显的X射线，还在高速自转，因此我们相对容易得知黑洞的存在甚至质量。这是因为吸积盘在旋转时，一部分朝向我们靠近，另一部分则远离，这种运动产生了多普勒效应，导致观测到的光谱发生变化。利用这一点，就可以掌握被黑洞引力捕获的吸积盘旋转速度有多快，以及中心黑洞的质量有多大。
然而，黑洞释放的光并不只有来自吸积盘的X射线。如果是周边“食物”充足的银河系中心超大质量黑洞，越往外远离黑洞，就能看到非常丰富且复杂的结构。在吸积盘的外围，还包裹着高密度的圆环状尘埃云。这个包裹着黑洞和吸积盘的尘埃环会吸收部分X射线并被温热，随后，尘埃环会在能量较低的红外线区域重新释放这些光。通过这种方式，观测到的黑洞整体光谱变得更加丰富。
决定X射线会被尘埃环遮挡多少，以及被加热的尘埃环发出的光能观测到多少的因素非常简单——那就是从我们的视角来看，黑洞周围圆盘和尘埃环的倾斜角度。如果几乎从侧面观察这个尘埃环，我们看到的中心吸积盘和X射线就会被遮挡得相当严实。相反，如果是从正上方俯视，就能看到几乎未被遮挡的强烈X射线。
曾经有一段时间，人们将光谱形态各异的星系中心黑洞视为机制完全不同的独立黑洞并进行分类。但现在，人们意识到这只是观察角度的问题，并开始用一个统一的视角来看待各种星系中心黑洞。
最后，黑洞还会释放出另一种有趣的光。快速自转的黑洞会沿着自转轴形成非常强大的磁场。由于吸积盘的高温，电离粒子会沿着磁场盘旋，并被加速到接近光速。粒子在被加速时会释放光。这样释放出的光在从X射线到红外线的广阔波长范围内都能观测到，这种现象被称为“同步加速辐射”。
詹姆斯·韦布空间望远镜本质上是以红外线观测宇宙的。在黑洞释放的各种光中，它只看红外线。天文学家从2023年到2024年，观测了银河系中心人马座A*黑洞在2.1μm和4.8μm两个红外波长下的亮度变化。累积观测总时长约为48小时。为了公平比较黑洞波动的亮度变化，研究人员选择了视野中两颗亮度几乎恒定的恒星作为基准星，以此将观测瞬间捕捉到的黑洞周围光强度进行标准化。
从上面的图表中可以看到有趣的结果。蓝色曲线是能量较高（2.1μm波长）的光的变化，红色曲线是能量较低（4.8μm波长）的光的变化。黑色曲线则是作为对比的基准星恒定的亮度变化模式。与基准星的亮度模式相比，可以明确得知这种波动的亮度变化确实是人马座A*黑洞周围发生的真实改变。除了整体的小波动模式外，还能看到亮度突然大幅增加又下降的“耀斑”现象。
天文学家在此基础上更进一步。比较蓝色曲线和红色曲线，在所有数据中都能发现有趣的模式：总是蓝色曲线先达到顶峰，随后经过短暂的时差，红色曲线才达到顶峰。也就是说，能量更高、波长较短的光先闪烁，约30~40秒后，波长较长的光紧随其后闪烁。
天文学家通过两种方式解释了在两个红外波长中同时观测到的大小亮度波动。一种是吸积盘本身发生的波动。黑洞吞噬的“食物”所分布的吸积盘密度并不总是均匀的，某些部分密度更高、温度更热。随着这种密度不均的吸积盘快速旋转，光线释放也会随之改变，从而引起小范围内的光强度波动。
此外，黑洞周围形成的强烈磁场也可能是更剧烈耀斑的原因。这类似于太阳表面发生耀斑的情况。黑洞周围形成的磁场束相互重连和连接时，会瞬间向外喷发出巨量粒子。这个过程是极其强烈的爆炸性现象，因此不同波长下的亮度差异并不大。在2.1μm和4.8μm两个波长下，都能观察到相似的耀斑闪光。天文学家推测，特别是在捕捉到急剧耀斑的瞬间，两个波长下观测到的最高亮度几乎没有差异，这也很好地印证了该假设。
正如所见，黑洞实际上也是一个非常剧烈波动的存在。乍一看，黑洞似乎是一个始终沉浸在黑暗中、沉默寡言且无聊的存在，但事实恰恰相反。黑洞是宇宙中最混乱的存在，甚至会像太阳耀斑一样喷发出耀眼的光芒。为了更准确地把握黑洞瞬息万变的形态，我们需要长时间紧盯黑洞进行监测。因此，本次研究的领衔天文学家果断申请了更多詹姆斯·韦布空间望远镜的观测时间，目标是实现24小时全天候不间断地只观测人马座A*黑洞。如果这项观测顺利完成，我们将能够填补图表中间的空白，全面了解黑洞周围一整天都在发生什么。
偷窥银河系中心黑洞一举一动的“宇宙最重磅真人秀”，距离实现的那一天已经不远了。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ada88b
https://www.stsci.edu/jwst/phase2-public/3559.pdf
作者池雄培（Ji Ung-bae）是何许人也？他热爱猫咪和宇宙。小时候在看了《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙学实验室研究星系通过相互作用进行的演化，并从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天想宇宙》、《星，光的科学》等书籍。