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超大质量黑洞存在于大部分星系的中心,我们的银河系也不例外。但是许多其他星系有著高度活跃的黑洞,意味著有许多物质正落向它们,在这一「摄食」过程中放射出大量高能辐射。而银河系的黑洞却相当安静。来自NASA同温层红外线天文台索菲亚(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA)的最新数据正帮助科学家们理解活跃黑洞和安静黑洞之间的区别。

这些数据给了我们关于银河系中心处强大磁场的前所未有的信息。科学家们使用了索菲亚(SOFIA)最新的设备——高解析度机载广谱照相机+(the High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus, HAWC+)进行了这些测量。

图中的流线展示了磁场情况,覆盖在银河系中心黑洞周围的尘埃环的彩色图片。 图源:尘埃、磁场部分:NASA/索菲亚;星场图片:NASA/哈勃太空望远镜

磁场是可以影响带电粒子轨迹的不可见力,对于宇宙各地的物质之运动和演化有著显著的作用。但是磁场不能直接被成像,所以它们的作用还没有被我们完全理解。高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)可以检测到极化远红外线,它们由星际尘埃微粒发出,对人眼是不可见的。这些微粒会与磁场呈垂直排布。天文学家们可以通过索菲亚的结果画出磁场形状并推断出本不可见的磁场强度,从而帮助可视化这一自然界的基本力。

「我们如今可以真正地看出磁场和星际物质是如何与彼此相互作用的,」琼·施梅尔茨(Joan Schmelz)指出,她是一名天文学家,供职于位于加州矽谷的NASA阿姆斯研究中心下的大学太空研究中心,也是描述这些观测结果的论文的共同作者,「高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)改变了一切。」

索菲亚先前的观测显示了环绕著银河系中心黑洞的由气体和尘埃组成的倾斜环,银心黑洞叫做人马座A*(读作人马座A星)。但是来自高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)的新鲜数据提供了关于这一区域磁场情况的独特视角,通过它似乎可以回溯直到10万年前的地区历史。

索菲亚对于磁场观测数据的细节在2019年6月的美国天文协会大会上被公开,将被《天文物理期刊》接收。

黑洞的引力主导了银河系中心的动力系统,但是磁场在其中的作用一直是个谜题。而高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)最新的观测显示磁场强到足以束缚住气体的湍流运动。如果磁场把气体重新导回黑洞自身,那么黑洞是活跃的,因为它会「吃进」大量气体。但是,如果磁场使得气体进入环绕黑洞的轨道,那么黑洞是安静的,因为它不会吸入任何本可以最终形成新的恒星的气体。

研究者们把索菲亚相机拍下的中红外区和远红外区的照片合成,使用流线使得磁场方向可视化。蓝色的Y形结构(见图)是落向黑洞的温物质,而黑洞位于Y形两臂的交接处。把磁场放在图片的上面后,我们可以看出磁场十分接近于尘埃结构。每个蓝色的臂有著与尘埃环其他部分截然不同的组成物质,后者由粉色表示。但是也有一部分磁场偏离了主尘埃结构,就像环的顶部和底部端点。

「磁场的螺旋结构使得气体进入环绕黑洞的轨道,」达伦·道尔(Darren Dowell)说道,他是NASA喷气动力实验室的科学家,也是高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)的首席科学家和该项研究的领导者,「这可以解释为什么我们的黑洞是安静的,而其他黑洞则是活跃的。」

这一新的索菲亚和高解析度机载广谱照相机+(HAWC+)的观测结果可以解释在超大质量黑洞周围的物质是如何与其相互作用的,也解答了一个长久以来的问题:为何其他星系的黑洞如此明亮,而银河系中心黑洞则相当暗淡。

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