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星系“变脸” 人类也许见证了类星体的诞生

2019-10-08 科技日报 于紫月
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  天文学家发现,每个星系中心往往会存在一个超大质量黑洞。究竟宇宙中是先有星系中心黑洞再吸积周围物质形成星系,还是先有星系再孕育中心黑洞?这个问题就像“鸡生蛋还是蛋生鸡”一样,至今尚未有定论。但公认的一点是,星系中心黑洞对星系的影响很大,一旦黑洞“躁动”,星系也会“变脸”。

  近日,研究人员观察到6个相对安静的星系突然变得活跃起来,它们的中心黑洞疯狂“吞食”,中心区域亮度由弱变强。浩瀚宇宙中,这群原本的“小透明”摇身一变,成了惹人注目、熠熠生辉的类星体,怒刷一波存在感。研究人员观测到这一变化过程历时几个月,但在星系数十亿年的寿命面前,可谓是“瞬间变脸”。更重要的是,天文学界此前几乎没有观测到过亮度增强的星系“变脸”事件。该研究成果近日发表在《天体物理学杂志》上。

  黑洞“有点饿” 星系“很温和”

  有学者曾计算过,宇宙至少有2万亿个星系。这些星系形状各异,大小和亮度也不尽相同。有星光黯淡的普通星系,即便采用人类最先进的望远镜都搜索不到它的身影;也有星芒四射的活动星系,即便是在100亿光年之外,其光芒也能被我们捕捉到。

  一个普通的星系之所以能被我们看到,主要是因为其中的大量恒星发出的光。而一个活动星系之所以耀眼,皆源于它的核心发出了最亮的光。在一个星系的核心区域中,超大质量黑洞在贪婪地吞噬附近的气体和尘埃,并发出稳定的明亮光线。相比而言,活动星系中的恒星发出的光亮只是萤火之光,远比不上中心黑洞“吞吐”的日月之辉。正是因为二者亮度的显著差异,我们在地球上观测时,只能看到非常遥远的星空中有个明亮的点,那正是活动星系核,由于它看起来与近处的恒星无甚差别,天文学家也称之为类星体。

  在普通星系和活动星系之间,还存在着第三类星系——低电离核发射线区(LINER)星系,它正是此次“变脸”事件的主角。

  “LINER星系是指在核心区域出现低电离发射线的星系,这种发射线在光谱中有特定的范围。”金沙澳门国家天文台研究员陆由俊在接受科技日报记者采访时表示,普通星系主要辐射源来自恒星,其核心区域捕捉不到发射线;活动星系主要辐射源为核心区域黑洞活动产生的高电离发射线;而LINER星系的主要辐射源一直存有争议,有人认为是星系中心黑洞的光,也有人认为其星系内部众多恒星所发出的光更强烈一些。

  “通俗来讲,普通星系的中心黑洞处于休息的状态,基本上不怎么吃东西,自然也不怎么发光,就像我们银河系中心的黑洞一样相对安静;活动星系的中心黑洞则在吃正餐,大快朵颐,吐出的光强烈明亮;而LINER星系中心黑洞则处于‘吃零食’的状态,断断续续吃一些,但吃得少,吐的光也相对微弱些。”金沙澳门国家天文台研究员金驰川告诉科技日报记者,LINER星系核心区域的活动既不算很安静,也不是太躁动,是一类相对“温和”的星系。

  “后来有学者提出,LINER星系核心区也可能是一片星暴区,有大量恒星形成,如果这些恒星的质量很大,也会发射紫外线光子,将周围的云团、气体电离,释放出低电离发射线。”陆由俊说。

  以往是“终结” 这次是“新生”

  “以前,星系‘变脸’很少被观测到,而且多是明亮的类星体黯淡下来,这往往代表着类星体的‘终结’。”陆由俊说。

  从第一颗类星体被发现至今,已近60年。这期间,人们发现了超过50万个类星体,能“变脸”的仅占极少数。在人们观测的过程中,这些“变脸”类星体的高电离发射线会在几年的时间内消失。

  “此次观测到的6个星系其亮度在几个月内增加了几倍,由低电离的LINER星系转变为高电离的类星体,这更像是类星体的诞生。”陆由俊说,“我们以前几乎从未观测到过。”

  是什么催生了这场蜕变?在陆由俊看来,星系核心如果是星暴区,星暴区“暴动”引发这次“变脸”活动貌似不太可能。因为恒星的形成所需的时间很长,这种变化过程目前人类几乎不可能观测到。

  因此,最有可能的原因是星系中心的黑洞,吸积周围物质的量突然增大,导致其电离的光也开始变强起来。可是,又是什么原因让原本“温和”的黑洞“躁动”起来的呢?

  研究人员首先想到的是潮汐瓦解事件。如果黑洞的领地闯入一颗恒星,只要在足够近的距离,黑洞产生的潮汐力就有可能撕裂这颗恒星,一些恒星碎片会被高速分裂并开始落入黑洞中,在这个过程中就会导致不同发射线信号的出现,瞬间造成亮度增量,随后亮度会按照一定的时间规律衰减。但研究人员在进一步观测中发现,其衰减规律与潮汐瓦解事件并不吻合,这种假设也被否定了。

  “如果是气体云团运动到黑洞周边,被黑洞吞噬,也可以在短时间内引起亮度增加,它的相关规律与潮汐瓦解事件有所不同。”陆由俊表示,从目前的研究来看,气体云团“侵扰”黑洞这种猜想或许更接近于真实答案。

  挑战旧理论 探讨新思路

  “理论上,类星体的形成需要至少数千年的时间,但此次观察结果表明,它的形成可能非常快,因此以往的理论可能是错误的。”该文章第一作者、美国马里兰大学天文系研究人员弗雷德里克说。

  “这一发现对原有的类星体相关理论提出了挑战。”陆由俊表示,以往我们观察到的大量类星体,它们稳定地释放光芒,就像人在青壮年时期,精力旺盛。其中仅有极少数类星体逐渐黯淡,仿佛步入了老年时期。这种占比让我们以为,类星体的寿命是极其漫长的。而此次发现或许是撬动传统类星体长寿命通识的一个支点——类星体或许并非像我们原本以为的那样长寿。

  在陆由俊看来,如果类星体的真实生命周期相对缩短,那么,以后也许会观测到越来越多的类星体诞生过程。至于此前为何几乎没有观测到,大抵是由于技术的支持让人们的理念发生了转变。

  “以前,人们希望看得更远、更广,以便构建‘星际地图’。如今,人们的观测手段越来越先进,在看得更远、更广的基础上,人们更想弄清楚某一天体究竟是什么,有哪些特征,如何变化。因此会频繁地观测同一天区,发现天体‘变脸’的概率自然就会有所增加。”陆由俊说。

  “这六次转变是如此突然和戏剧性,它告诉我们在这些星系中发生了一些完全不同的事情。我们想知道,如此大量的气体和尘埃是如何突然开始坠入黑洞的。”弗雷德里克说。

  “这次发现对传统黑洞吸积理论模型提出了巨大挑战。”金驰川说。黑洞辐射的变化时间与黑洞的质量呈正相关,十个太阳质量大小的黑洞在1天内就能够通过吸积物质发生亮度骤变,这是可以理解的。但是,如果是重达千万甚至上亿个太阳质量的超大质量黑洞亮度突然活跃起来,在以往的认知中,这至少需要数万年的时间,毕竟让这种“大胖子”活动起来更费时费力。

  然而事实就在眼前。这次“变脸”拖拽出的谜团,等待着更多的研究去揭示。

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  星暴星系:恒星快速生产车间

  星暴星系(Starburst Galaxies),是指含有一个巨大的恒星形成暴发区的星系。普通的星系比如银河系也形成恒星,但是形成的速度很慢。而在星暴星系中,恒星的形成速度非常快。NGC 4666是一个著名的星暴星系,距离地球0.8亿光年,由于NGC 4666星系和邻近星系的引力交互作用,促使NGC 4666星系内大量产生恒星。

  一些科学家提出,超大质量黑洞的形成有可能是由星暴星系产生的。在一项最新研究中,科学家们发现了一个距离地球约130亿光年的原始星系。这个星系的发现将有望打破原有此类星系的距离纪录,并揭开有关宇宙早期历史中一些最大质量“恒星生产车间”如何以及何时运作的奥秘。

打印 责任编辑:侯茜

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