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星係“變臉” 人類也許見證了類星體的誕生
2019-10-08 07:52:17 來源: 科技日報
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  天文學家發現,每個星係中心往往會存在一個超大質量黑洞。究竟宇宙中是先有星係中心黑洞再吸積周圍物質形成星係,還是先有星係再孕育中心黑洞?這個問題就像“雞生蛋還是蛋生雞”一樣,至今尚未有定論。但公認的一點是,星係中心黑洞對星係的影響很大,一旦黑洞“躁動”,星係也會“變臉”。

  近日,研究人員觀察到6個相對安靜的星係突然變得活躍起來,它們的中心黑洞瘋狂“吞食”,中心區域亮度由弱變強。浩瀚宇宙中,這群原本的“小透明”搖身一變,成了惹人注目、熠熠生輝的類星體,怒刷一波存在感。研究人員觀測到這一變化過程歷時幾個月,但在星係數十億年的壽命面前,可謂是“瞬間變臉”。更重要的是,天文學界此前幾乎沒有觀測到過亮度增強的星係“變臉”事件。該研究成果近日發表在《天體物理學雜志》上。

  黑洞“有點餓” 星係“很溫和”

  有學者曾計算過,宇宙至少有2萬億個星係。這些星係形狀各異,大小和亮度也不盡相同。有星光黯淡的普通星係,即便採用人類最先進的望遠鏡都搜索不到它的身影;也有星芒四射的活動星係,即便是在100億光年之外,其光芒也能被我們捕捉到。

  一個普通的星係之所以能被我們看到,主要是因為其中的大量恒星發出的光。而一個活動星係之所以耀眼,皆源于它的核心發出了最亮的光。在一個星係的核心區域中,超大質量黑洞在貪婪地吞噬附近的氣體和塵埃,並發出穩定的明亮光線。相比而言,活動星係中的恒星發出的光亮只是螢火之光,遠比不上中心黑洞“吞吐”的日月之輝。正是因為二者亮度的顯著差異,我們在地球上觀測時,只能看到非常遙遠的星空中有個明亮的點,那正是活動星係核,由于它看起來與近處的恒星無甚差別,天文學家也稱之為類星體。

  在普通星係和活動星係之間,還存在著第三類星係——低電離核發射線區(LINER)星係,它正是此次“變臉”事件的主角。

  “LINER星係是指在核心區域出現低電離發射線的星係,這種發射線在光譜中有特定的范圍。”中科院國家天文臺研究員陸由俊在接受科技日報記者採訪時表示,普通星係主要輻射源來自恒星,其核心區域捕捉不到發射線;活動星係主要輻射源為核心區域黑洞活動産生的高電離發射線;而LINER星係的主要輻射源一直存有爭議,有人認為是星係中心黑洞的光,也有人認為其星係內部眾多恒星所發出的光更強烈一些。

  “通俗來講,普通星係的中心黑洞處于休息的狀態,基本上不怎麼吃東西,自然也不怎麼發光,就像我們銀河係中心的黑洞一樣相對安靜;活動星係的中心黑洞則在吃正餐,大快朵頤,吐出的光強烈明亮;而LINER星係中心黑洞則處于‘吃零食’的狀態,斷斷續續吃一些,但吃得少,吐的光也相對微弱些。”中科院國家天文臺研究員金馳川告訴科技日報記者,LINER星係核心區域的活動既不算很安靜,也不是太躁動,是一類相對“溫和”的星係。

  “後來有學者提出,LINER星係核心區也可能是一片星暴區,有大量恒星形成,如果這些恒星的質量很大,也會發射紫外線光子,將周圍的雲團、氣體電離,釋放出低電離發射線。”陸由俊説。

  以往是“終結” 這次是“新生”

  “以前,星係‘變臉’很少被觀測到,而且多是明亮的類星體黯淡下來,這往往代表著類星體的‘終結’。”陸由俊説。

  從第一顆類星體被發現至今,已近60年。這期間,人們發現了超過50萬個類星體,能“變臉”的僅佔極少數。在人們觀測的過程中,這些“變臉”類星體的高電離發射線會在幾年的時間內消失。

  “此次觀測到的6個星係其亮度在幾個月內增加了幾倍,由低電離的LINER星係轉變為高電離的類星體,這更像是類星體的誕生。”陸由俊説,“我們以前幾乎從未觀測到過。”

  是什麼催生了這場蛻變?在陸由俊看來,星係核心如果是星暴區,星暴區“暴動”引發這次“變臉”活動貌似不太可能。因為恒星的形成所需的時間很長,這種變化過程目前人類幾乎不可能觀測到。

  因此,最有可能的原因是星係中心的黑洞,吸積周圍物質的量突然增大,導致其電離的光也開始變強起來。可是,又是什麼原因讓原本“溫和”的黑洞“躁動”起來的呢?

  研究人員首先想到的是潮汐瓦解事件。如果黑洞的領地闖入一顆恒星,只要在足夠近的距離,黑洞産生的潮汐力就有可能撕裂這顆恒星,一些恒星碎片會被高速分裂並開始落入黑洞中,在這個過程中就會導致不同發射線信號的出現,瞬間造成亮度增量,隨後亮度會按照一定的時間規律衰減。但研究人員在進一步觀測中發現,其衰減規律與潮汐瓦解事件並不吻合,這種假設也被否定了。

  “如果是氣體雲團運動到黑洞周邊,被黑洞吞噬,也可以在短時間內引起亮度增加,它的相關規律與潮汐瓦解事件有所不同。”陸由俊表示,從目前的研究來看,氣體雲團“侵擾”黑洞這種猜想或許更接近于真實答案。

  挑戰舊理論 探討新思路

  “理論上,類星體的形成需要至少數千年的時間,但此次觀察結果表明,它的形成可能非常快,因此以往的理論可能是錯誤的。”該文章第一作者、美國馬裏蘭大學天文係研究人員弗雷德裏克説。

  “這一發現對原有的類星體相關理論提出了挑戰。”陸由俊表示,以往我們觀察到的大量類星體,它們穩定地釋放光芒,就像人在青壯年時期,精力旺盛。其中僅有極少數類星體逐漸黯淡,倣佛步入了老年時期。這種佔比讓我們以為,類星體的壽命是極其漫長的。而此次發現或許是撬動傳統類星體長壽命通識的一個支點——類星體或許並非像我們原本以為的那樣長壽。

  在陸由俊看來,如果類星體的真實生命周期相對縮短,那麼,以後也許會觀測到越來越多的類星體誕生過程。至于此前為何幾乎沒有觀測到,大抵是由于技術的支持讓人們的理念發生了轉變。

  “以前,人們希望看得更遠、更廣,以便構建‘星際地圖’。如今,人們的觀測手段越來越先進,在看得更遠、更廣的基礎上,人們更想弄清楚某一天體究竟是什麼,有哪些特徵,如何變化。因此會頻繁地觀測同一天區,發現天體‘變臉’的概率自然就會有所增加。”陸由俊説。

  “這六次轉變是如此突然和戲劇性,它告訴我們在這些星係中發生了一些完全不同的事情。我們想知道,如此大量的氣體和塵埃是如何突然開始墜入黑洞的。”弗雷德裏克説。

  “這次發現對傳統黑洞吸積理論模型提出了巨大挑戰。”金馳川説。黑洞輻射的變化時間與黑洞的質量呈正相關,十個太陽質量大小的黑洞在1天內就能夠通過吸積物質發生亮度驟變,這是可以理解的。但是,如果是重達千萬甚至上億個太陽質量的超大質量黑洞亮度突然活躍起來,在以往的認知中,這至少需要數萬年的時間,畢竟讓這種“大胖子”活動起來更費時費力。

  然而事實就在眼前。這次“變臉”拖拽出的謎團,等待著更多的研究去揭示。

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  星暴星係:恒星快速生産車間

  星暴星係(Starburst Galaxies),是指含有一個巨大的恒星形成暴發區的星係。普通的星係比如銀河係也形成恒星,但是形成的速度很慢。而在星暴星係中,恒星的形成速度非常快。NGC 4666是一個著名的星暴星係,距離地球0.8億光年,由于NGC 4666星係和鄰近星係的引力交互作用,促使NGC 4666星係內大量産生恒星。

  一些科學家提出,超大質量黑洞的形成有可能是由星暴星係産生的。在一項最新研究中,科學家們發現了一個距離地球約130億光年的原始星係。這個星係的發現將有望打破原有此類星係的距離紀錄,並揭開有關宇宙早期歷史中一些最大質量“恒星生産車間”如何以及何時運作的奧秘。(記者 于紫月)

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