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超大質量黑洞存在於大部分星系的中心,我們的銀河系也不例外。但是許多其他星系有著高度活躍的黑洞,意味著有許多物質正落向它們,在這一「攝食」過程中放射出大量高能輻射。而銀河系的黑洞卻相當安靜。來自NASA同溫層紅外線天文臺索菲亞(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA)的最新數據正幫助科學家們理解活躍黑洞和安靜黑洞之間的區別。

這些數據給了我們關於銀河系中心處強大磁場的前所未有的信息。科學家們使用了索菲亞(SOFIA)最新的設備——高解析度機載廣譜照相機+(the High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus, HAWC+)進行了這些測量。

圖中的流線展示了磁場情況,覆蓋在銀河系中心黑洞周圍的塵埃環的彩色圖片。 圖源:塵埃、磁場部分:NASA/索菲亞;星場圖片:NASA/哈勃太空望遠鏡

磁場是可以影響帶電粒子軌跡的不可見力,對於宇宙各地的物質之運動和演化有著顯著的作用。但是磁場不能直接被成像,所以它們的作用還沒有被我們完全理解。高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)可以檢測到極化遠紅外線,它們由星際塵埃微粒發出,對人眼是不可見的。這些微粒會與磁場呈垂直排布。天文學家們可以通過索菲亞的結果畫出磁場形狀並推斷出本不可見的磁場強度,從而幫助可視化這一自然界的基本力。

「我們如今可以真正地看出磁場和星際物質是如何與彼此相互作用的,」瓊·施梅爾茨(Joan Schmelz)指出,她是一名天文學家,供職於位於加州矽谷的NASA阿姆斯研究中心下的大學太空研究中心,也是描述這些觀測結果的論文的共同作者,「高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)改變了一切。」

索菲亞先前的觀測顯示了環繞著銀河系中心黑洞的由氣體和塵埃組成的傾斜環,銀心黑洞叫做人馬座A*(讀作人馬座A星)。但是來自高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)的新鮮數據提供了關於這一區域磁場情況的獨特視角,通過它似乎可以回溯直到10萬年前的地區歷史。

索菲亞對於磁場觀測數據的細節在2019年6月的美國天文協會大會上被公開,將被《天文物理期刊》接收。

黑洞的引力主導了銀河系中心的動力系統,但是磁場在其中的作用一直是個謎題。而高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)最新的觀測顯示磁場強到足以束縛住氣體的湍流運動。如果磁場把氣體重新導回黑洞自身,那麼黑洞是活躍的,因為它會「喫進」大量氣體。但是,如果磁場使得氣體進入環繞黑洞的軌道,那麼黑洞是安靜的,因為它不會吸入任何本可以最終形成新的恆星的氣體。

研究者們把索菲亞相機拍下的中紅外區和遠紅外區的照片合成,使用流線使得磁場方向可視化。藍色的Y形結構(見圖)是落向黑洞的溫物質,而黑洞位於Y形兩臂的交接處。把磁場放在圖片的上面後,我們可以看出磁場十分接近於塵埃結構。每個藍色的臂有著與塵埃環其他部分截然不同的組成物質,後者由粉色表示。但是也有一部分磁場偏離了主塵埃結構,就像環的頂部和底部端點。

「磁場的螺旋結構使得氣體進入環繞黑洞的軌道,」達倫·道爾(Darren Dowell)說道,他是NASA噴氣動力實驗室的科學家,也是高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)的首席科學家和該項研究的領導者,「這可以解釋為什麼我們的黑洞是安靜的,而其他黑洞則是活躍的。」

這一新的索菲亞和高解析度機載廣譜照相機+(HAWC+)的觀測結果可以解釋在超大質量黑洞周圍的物質是如何與其相互作用的,也解答了一個長久以來的問題:為何其他星系的黑洞如此明亮,而銀河系中心黑洞則相當暗淡。

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