在国际空间站上直击黑洞“吃星星”：黑洞的光冕收缩了

在科幻电影《星际穿越》中，男主角进入黑洞后并未被引力撕碎，而是来到了一个奇迹的高维空间。黑洞吃进物体后会发生什么？人类现有的科学水平尚不能完全回答这个问题，只能从黑洞吃星星时“打嗝”出的光波略窥一二。

北京时间1月10日凌晨，世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志（Nature）的封面论文，即讲述了对一次黑洞吃星星过程的观测研究，在宇宙学上称为“黑洞瞬变”事件。

死亡共舞

黑洞作为一类极端天体，是恒星们的其中一种特殊归宿。随着恒星核聚变的燃料殆尽，质量小一些的内部坍塌成白矮星，质量大一些的则会坍塌成中子星或黑洞。

根据爱因斯坦引力场方程的计算，如果大量物质集中于空间一点，奇点周围会形成时空扭曲的“视界”，一旦进入这个界面，连光子也无法逃逸，故而称为“黑洞”。

黑洞本身虽无光，但大量弥散物质被吸附在黑洞周围转动，形成一个发光的盘状结构。一旦天体进入吸积盘的范围，就开始被黑洞吞噬。

而沿着这个“吸积盘”中轴线的上下两端上，科学家们还发现了神秘的黑洞“光冕”，与太阳的“日冕”相似，是一团致密的超高温等离子体。

正如封面图片所描绘的，黑洞吞噬恒星的过程以“双星共舞”的形式展开。恒星或白矮星围绕着黑洞旋转，物质不断被吸收，释放出巨大的引力波和能量，高速等离子喷流从黑洞中逃逸而出，形成明亮的光柱。

也就是说，黑洞虽然如饕餮般吞食一切，却不能吃得干干净净，总是“打嗝”，给天文学家留下可以研究的线索。

“黑洞”中的水滴声

2018年3月6日，位于智利安第斯山脉托洛洛山顶的两台“全天自动超新星搜索项目”望远镜捕收获了一个编号为ASASSN-18ey的光学信号。5天后，国际空间站上搭载的全天X射线图像监视器（MAXI）捕捉到了一个编号为MAXI J1820+070的X射线源。两相比对后，天文学家们初步确定这两个信号来自同一个正在吞噬天体的黑洞，形成一个黑洞双系统。

值得一提的是，该信号源十分明亮，约在3260光年之外，这已经是目前人类发现的黑洞双系统中距离地球最近的。

消息公开后，世界范围内十数台地面望远镜和空间设备瞄准信号源，接收分析不同频段的数据。其中就包括同样位于国际空间站上的中子星内部组成探测器（NICER）。该载荷针对中子星周围的极端引力、电磁场和核物理学设计，专门探测极端高密度和高压下的奇妙物质状态，因而也适用于黑洞的观测。

为了理解探测器的工作方式，你可以想象一个“漆黑的山洞”中的水滴。你先听到水滴声，再听到水滴声反弹到洞壁上的回声。水滴声和回声间的间隔越长，山洞的大小就越大。

对于黑洞而言，“水滴声”就是从光冕中射出的X射线光子，而“回声”就是光冕与吸积盘内缘相互作用后二次射出的X射线光子。

探测器由52对X射线收集器组成，可以记录单个X涉嫌光子抵达的时间和能量，时间分辨率达到100纳秒以内，比美国国家航空航天局（NASA）的上一代最精确的X射线计时器快上25倍。

正因如此，这个美、英、荷、日联合团队才能够捕捉到黑洞瞬变过程中X射线光谱的微妙变化：在吃下星星后，黑洞的吸积盘大小保持得相当稳定，光冕的尺寸却收缩了。

这与此前预测的一种“吸积盘截断模型“相左。此前，一些科学家们推测黑洞吃星星时吸积盘旋转速度变快，从而收缩。如今，高精度的X射线探测器描述了不同的图景。不过，为了排除个例的特殊性，这种新的描述模型尚需更多的案例检验。