[비즈한국] 黑洞是讓所有宇宙愛好者著迷的存在。但從個人角度來看，我覺得“黑洞”這個名字與其名氣相比，起得實在有些名不副實。如果直譯，“黑洞”的意思就是“黑色的洞”。但事實上，黑洞並不“黑”。起初，黑洞本身沒有顏色，因為它連光線都不會發射。由於引力太過強大，連光速都無法逃脫，為了表現時空中那個深不見底的黑暗，人們便隨口給它安上了“黑”這個名字。我想，如果用“黑暗”或代表光線缺失的“Dark”之類的詞，或許會更貼切一些。
令人尷尬的還不止於此。雖然黑洞因為巨大的引力而無法發光是事實，但硬要說它完全不產生光也不準確。嚴格來說，黑洞本身確實是黑暗的，但被黑洞引力捕獲的周邊物質在被加熱到極高溫度時會發出光芒。此外，由於黑洞周圍強大的磁場，被加速的粒子也會釋放出神秘的光。這種光極其強烈，以至於超出了可見光範圍，釋放出遠超X射線和伽馬射線水平的高能光束。雖然因為“無法發光”而得名黑洞，但它實際上是宇宙中釋放光芒最強烈的存在。我覺得，從名字開始，黑洞就是一個充滿了矛盾與神秘的存在。
最近，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）捕捉到了銀河系中心超大質量黑洞“人馬座A*”（Sagittarius A*）發出的非常有趣的光。黑洞不僅噴發出高能光束，而且那光還在閃爍！天文學家將這一現象稱為“黑洞閃爍（Blackhole’s flickering）”。
首先，我們需要理解宇宙中最深沉的黑暗周圍，是如何與宇宙中最強烈的高能光束共存的。其主要機制發生在環繞黑洞的吸積盤上。如果黑洞周圍有美味的“食物”（如氣體雲或恆星），它們會因為強大的引力逐漸被吸向黑洞。越靠近黑洞，速度就越快。如果還沒進入黑洞的“事件視界”，這些物質就能以足夠快的速度環繞黑洞，抵禦引力並維持軌道。在這個過程中，高速運轉的物質相互碰撞產生摩擦，從而變得極其熾熱，甚至遠超普通恆星的表面溫度。因此，在吸積盤中可以觀測到X射線。早些時候，透過X射線觀測，我們就在銀河系中心人馬座方向發現了一個正在貪婪吞噬周邊物質的可怕存在。
由於吸積盤不僅釋放明顯的X射線，還在高速自轉，因此我們相對容易得知黑洞的存在甚至質量。這是因為吸積盤在旋轉時，一部分朝向我們靠近，另一部分則遠離，這種運動產生了多普勒效應，導致觀測到的光譜發生變化。利用這一點，就可以掌握被黑洞引力捕獲的吸積盤旋轉速度有多快，以及中心黑洞的質量有多大。
然而，黑洞釋放的光並不只有來自吸積盤的X射線。如果是周邊“食物”充足的銀河系中心超大質量黑洞，越往外遠離黑洞，就能看到非常豐富且複雜的結構。在吸積盤的外圍，還包裹著高密度的圓環狀塵埃雲。這個包裹著黑洞和吸積盤的塵埃環會吸收部分X射線並被溫熱，隨後，塵埃環會在能量較低的紅外線區域重新釋放這些光。透過這種方式，觀測到的黑洞整體光譜變得更加豐富。
決定X射線會被塵埃環遮擋多少，以及被加熱的塵埃環發出的光能觀測到多少的因素非常簡單——那就是從我們的視角來看，黑洞周圍圓盤和塵埃環的傾斜角度。如果幾乎從側面觀察這個塵埃環，我們看到的中心吸積盤和X射線就會被遮擋得相當嚴實。相反，如果是從正上方俯視，就能看到幾乎未被遮擋的強烈X射線。
曾經有一段時間，人們將光譜形態各異的星系中心黑洞視為機制完全不同的獨立黑洞並進行分類。但現在，人們意識到這只是觀察角度的問題，並開始用一個統一的視角來看待各種星系中心黑洞。
最後，黑洞還會釋放出另一種有趣的光。快速自轉的黑洞會沿著自轉軸形成非常強大的磁場。由於吸積盤的高溫，電離粒子會沿著磁場盤旋，並被加速到接近光速。粒子在被加速時會釋放光。這樣釋放出的光在從X射線到紅外線的廣闊波長範圍內都能觀測到，這種現象被稱為“同步加速輻射”。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡本質上是以紅外線觀測宇宙的。在黑洞釋放的各種光中，它只看紅外線。天文學家從2023年到2024年，觀測了銀河系中心人馬座A*黑洞在2.1μm和4.8μm兩個紅外波長下的亮度變化。累積觀測總時長約為48小時。為了公平比較黑洞波動的亮度變化，研究人員選擇了視野中兩顆亮度幾乎恆定的恆星作為基準星，以此將觀測瞬間捕捉到的黑洞周圍光強度進行標準化。
從上面的圖表中可以看到有趣的結果。藍色曲線是能量較高（2.1μm波長）的光的變化，紅色曲線是能量較低（4.8μm波長）的光的變化。黑色曲線則是作為對比的基準星恆定的亮度變化模式。與基準星的亮度模式相比，可以明確得知這種波動的亮度變化確實是人馬座A*黑洞周圍發生的真實改變。除了整體的小波動模式外，還能看到亮度突然大幅增加又下降的“耀斑”現象。
天文學家在此基礎上更進一步。比較藍色曲線和紅色曲線，在所有資料中都能發現有趣的模式：總是藍色曲線先達到頂峰，隨後經過短暫的時差，紅色曲線才達到頂峰。也就是說，能量更高、波長較短的光先閃爍，約30~40秒後，波長較長的光緊隨其後閃爍。
天文學家透過兩種方式解釋了在兩個紅外波長中同時觀測到的大小亮度波動。一種是吸積盤本身發生的波動。黑洞吞噬的“食物”所分佈的吸積盤密度並不總是均勻的，某些部分密度更高、溫度更熱。隨著這種密度不均的吸積盤快速旋轉，光線釋放也會隨之改變，從而引起小範圍內的光強度波動。
此外，黑洞周圍形成的強烈磁場也可能是更劇烈耀斑的原因。這類似於太陽表面發生耀斑的情況。黑洞周圍形成的磁場束相互重連和連線時，會瞬間向外噴發出巨量粒子。這個過程是極其強烈的爆炸性現象，因此不同波長下的亮度差異並不大。在2.1μm和4.8μm兩個波長下，都能觀察到相似的耀斑閃光。天文學家推測，特別是在捕捉到急劇耀斑的瞬間，兩個波長下觀測到的最高亮度幾乎沒有差異，這也很好地印證了該假設。
正如所見，黑洞實際上也是一個非常劇烈波動的存在。乍一看，黑洞似乎是一個始終沉浸在黑暗中、沉默寡言且無聊的存在，但事實恰恰相反。黑洞是宇宙中最混亂的存在，甚至會像太陽耀斑一樣噴發出耀眼的光芒。為了更準確地把握黑洞瞬息萬變的形態，我們需要長時間緊盯黑洞進行監測。因此，本次研究的領銜天文學家果斷申請了更多詹姆斯·韋布空間望遠鏡的觀測時間，目標是實現24小時全天候不間斷地只觀測人馬座A*黑洞。如果這項觀測順利完成，我們將能夠填補圖表中間的空白，全面瞭解黑洞周圍一整天都在發生什麼。
偷窺銀河系中心黑洞一舉一動的“宇宙最重磅真人秀”，距離實現的那一天已經不遠了。
參考
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）是何許人也？他熱愛貓咪和宇宙。小時候在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙學實驗室研究星系透過相互作用進行的演化，並從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天想宇宙》、《星，光的科學》等書籍。