黑洞并非“只進不出”

左圖 旋渦星系M81中的極亮超軟X射線源位置。（資料圖片） 右圖 黑洞吸積物質并產生高速物質噴流和吸積盤風的藝術想象圖。（北京天文館 喻京川創作）

　　黑洞是常出現在當代科幻電影和小說里的神秘天體。據說它像傳說中的饕餮一樣只進不出，貪得無厭，甚至黑洞的名字都來源于此，它“讓光都無法逃脫”。

　　隨著科學的發展，人們對黑洞的認識也越來越深入，發現它并非純粹的只進不出。黑洞在吞噬物質后會形成噴流，從而“吐”出一些物質，這一“脾性”早在上世紀80年代就已被天文學發現所證實。天文學家們普遍認為黑洞吞噬物質后只有在X射線低硬譜態或甚高譜態下才會產生相對論性噴流，他們陸續發現了20來個能“吃”會“吐”的黑洞，但都是發射非常硬的X射線。因此天文學家曾普遍認為黑洞吞噬物質后不能產生超軟X射線譜態。

　　我國科學家近日的一個重大發現打破了這種傳統認知：中國科學院大學天文與空間科學學院教授、國家天文臺研究員劉繼峰帶領團隊在國際上首次從超軟X射線源發現相對論性高速噴流，揭示了黑洞吸積和噴流形成的新方式。這一成果在《自然》雜志發布，并被認為是2015年度黑洞研究領域內最重要的五大發現之一。

　　劉繼峰領導的團隊對千萬光年之外的旋渦星系M81中的極亮超軟X射線源進行了光譜監測研究，首次發現其光譜中具有高度藍移的氫元素發射線，揭示了該系統中存在速度達到0.2倍光速的相對論性重子噴流。“硬X射線是指X射線光子能量高，軟X射線是指X射線光子能量低。”劉繼峰在接受《經濟日報》記者采訪時解釋說，從硬X射線源中發現過相對論性高速噴流，相當于黑洞沒有“吃飽”，吐出的僅僅是輕子分位的物質。此次從超軟X射線源發現相對論性高速噴流，表明黑洞一旦吞噬過量“吃飽了”，會吐出重子分位的物質。“發現超軟X射線時黑洞也可以吐的意義在于，以前硬X射線時黑洞吃的東西相對較少，而超軟X射線時黑洞吃的東西要遠遠多于前者，過量了。”也就是說，這次的發現，是黑洞“吃太多會吐”。

　　“在超軟X射線源中發現相對論性噴流出乎所有人的意料，這改寫了我們對超軟X射線源的本質和噴流形成的認知。”美國科學院院士、英國皇家學會院士、哈佛大學終身教授瑞馬斯·納拉延評論說。

　　黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種特異的天體，由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后發生引力坍縮產生。它產生的引力場極為強勁，以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的“視界”（臨界點）內，便無法逃脫，甚至目前已知傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。劉繼峰也強調，此次新發現并沒有超出以往對黑洞“視界”的理解。“物質進入視界就跑不出去了，我們這兒往外噴的是沒進入黑洞的那部分。”

　　曾有科學家猜測，穿過黑洞可能會到達另一個空間，甚至是時空。在天文學家看來，這有可能嗎？

　　“時空穿越在數學理論上是成立的，在現實物理世界中是否可行仍不清楚。”劉繼峰說，“物質挨近黑洞，那它攜帶的鐘的確會變慢，不過可能對無生命的粒子沒有太大意義。對我們遙遠的觀測者來說，我們用自己的鐘描述它的運動，則其變得極為緩慢，甚至是看似凍結在黑洞的視界附近。”

　　此次發現已經不是劉繼峰團隊在黑洞方面的第一次重要發現了。兩年前，劉繼峰領導的團隊就在世界上首次成功測量到Ｘ射線極亮天體的黑洞質量，在該領域獲得重大突破。“這兩個發現都在研究極亮超軟X射線源，但是第一個僅僅說那是個黑洞，這次則還發現居然有噴流，是新模式，比上個發現更有意義。”劉繼峰說。