天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每個星系中心往往會存在一個超大質(zhì)量黑洞。究竟宇宙中是先有星系中心黑洞再吸積周圍物質(zhì)形成星系，還是先有星系再孕育中心黑洞？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(rèn)的一點是，星系中心黑洞對星系的影響很大，一旦黑洞“躁動”，星系也會“變臉”。
近日，研究人員觀察到6個相對安靜的星系突然變得活躍起來，它們的中心黑洞瘋狂“吞食”，中心區(qū)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，但在星系數(shù)十億年的壽命面前，可謂是“瞬間變臉”。更重要的是，天文學(xué)界此前幾乎沒有觀測到過亮度增強的星系“變臉”事件。該研究成果近日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上。
黑洞“有點餓” 星系“很溫和”
有學(xué)者曾計算過，宇宙至少有2萬億個星系。這些星系形狀各異，大小和亮度也不盡相同。有星光黯淡的普通星系，即便采用人類最先進的望遠(yuǎn)鏡都搜索不到它的身影；也有星芒四射的活動星系，即便是在100億光年之外，其光芒也能被我們捕捉到。
一個普通的星系之所以能被我們看到，主要是因為其中的大量恒星發(fā)出的光。而一個活動星系之所以耀眼，皆源于它的核心發(fā)出了最亮的光。在一個星系的核心區(qū)域中，超大質(zhì)量黑洞在貪婪地吞噬附近的氣體和塵埃，并發(fā)出穩(wěn)定的明亮光線。相比而言，活動星系中的恒星發(fā)出的光亮只是螢火之光，遠(yuǎn)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(yuǎn)的星空中有個明亮的點，那正是活動星系核，由于它看起來與近處的恒星無甚差別，天文學(xué)家也稱之為類星體。
在普通星系和活動星系之間，還存在著第三類星系——低電離核發(fā)射線區(qū)（LINER）星系，它正是此次“變臉”事件的主角。
“LINER星系是指在核心區(qū)域出現(xiàn)低電離發(fā)射線的星系，這種發(fā)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采訪時表示，普通星系主要輻射源來自恒星，其核心區(qū)域捕捉不到發(fā)射線；活動星系主要輻射源為核心區(qū)域黑洞活動產(chǎn)生的高電離發(fā)射線；而LINER星系的主要輻射源一直存有爭議，有人認(rèn)為是星系中心黑洞的光，也有人認(rèn)為其星系內(nèi)部眾多恒星所發(fā)出的光更強烈一些。
“通俗來講，普通星系的中心黑洞處于休息的狀態(tài)，基本上不怎么吃東西，自然也不怎么發(fā)光，就像我們銀河系中心的黑洞一樣相對安靜；活動星系的中心黑洞則在吃正餐，大快朵頤，吐出的光強烈明亮；而LINER星系中心黑洞則處于‘吃零食’的狀態(tài)，斷斷續(xù)續(xù)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星系核心區(qū)域的活動既不算很安靜，也不是太躁動，是一類相對“溫和”的星系。
“后來有學(xué)者提出，LINER星系核心區(qū)也可能是一片星暴區(qū)，有大量恒星形成，如果這些恒星的質(zhì)量很大，也會發(fā)射紫外線光子，將周圍的云團、氣體電離，釋放出低電離發(fā)射線。”陸由俊說。
以往是“終結(jié)” 這次是“新生”
“以前，星系‘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(jié)’。”陸由俊說。
從第一顆類星體被發(fā)現(xiàn)至今，已近60年。這期間，人們發(fā)現(xiàn)了超過50萬個類星體，能“變臉”的僅占極少數(shù)。在人們觀測的過程中，這些“變臉”類星體的高電離發(fā)射線會在幾年的時間內(nèi)消失。
“此次觀測到的6個星系其亮度在幾個月內(nèi)增加了幾倍，由低電離的LINER星系轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠婋x的類星體，這更像是類星體的誕生。”陸由俊說，“我們以前幾乎從未觀測到過。”
是什么催生了這場蛻變？在陸由俊看來，星系核心如果是星暴區(qū)，星暴區(qū)“暴動”引發(fā)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系中心的黑洞，吸積周圍物質(zhì)的量突然增大，導(dǎo)致其電離的光也開始變強起來。可是，又是什么原因讓原本“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(lǐng)地闖入一顆恒星，只要在足夠近的距離，黑洞產(chǎn)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并開始落入黑洞中，在這個過程中就會導(dǎo)致不同發(fā)射線信號的出現(xiàn)，瞬間造成亮度增量，隨后亮度會按照一定的時間規(guī)律衰減。但研究人員在進一步觀測中發(fā)現(xiàn)，其衰減規(guī)律與潮汐瓦解事件并不吻合，這種假設(shè)也被否定了。
“如果是氣體云團運動到黑洞周邊，被黑洞吞噬，也可以在短時間內(nèi)引起亮度增加，它的相關(guān)規(guī)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，氣體云團“侵?jǐn)_”黑洞這種猜想或許更接近于真實答案。
挑戰(zhàn)舊理論 探討新思路
“理論上，類星體的形成需要至少數(shù)千年的時間，但此次觀察結(jié)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、美國馬里蘭大學(xué)天文系研究人員弗雷德里克說。
“這一發(fā)現(xiàn)對原有的類星體相關(guān)理論提出了挑戰(zhàn)。”陸由俊表示，以往我們觀察到的大量類星體，它們穩(wěn)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(shù)類星體逐漸黯淡，仿佛步入了老年時期。這種占比讓我們以為，類星體的壽命是極其漫長的。而此次發(fā)現(xiàn)或許是撬動傳統(tǒng)類星體長壽命通識的一個支點——類星體或許并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，那么，以后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(shù)的支持讓人們的理念發(fā)生了轉(zhuǎn)變。
“以前，人們希望看得更遠(yuǎn)、更廣，以便構(gòu)建‘星際地圖’。如今，人們的觀測手段越來越先進，在看得更遠(yuǎn)、更廣的基礎(chǔ)上，人們更想弄清楚某一天體究竟是什么，有哪些特征，如何變化。因此會頻繁地觀測同一天區(qū)，發(fā)現(xiàn)天體‘變臉’的概率自然就會有所增加。”陸由俊說。
“這六次轉(zhuǎn)變是如此突然和戲劇性，它告訴我們在這些星系中發(fā)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。”弗雷德里克說。
“這次發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)黑洞吸積理論模型提出了巨大挑戰(zhàn)。”金馳川說。黑洞輻射的變化時間與黑洞的質(zhì)量呈正相關(guān)，十個太陽質(zhì)量大小的黑洞在1天內(nèi)就能夠通過吸積物質(zhì)發(fā)生亮度驟變，這是可以理解的。但是，如果是重達(dá)千萬甚至上億個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞亮度突然活躍起來，在以往的認(rèn)知中，這至少需要數(shù)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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星暴星系：恒星快速生產(chǎn)車間
星暴星系（Starburst Galaxies），是指含有一個巨大的恒星形成暴發(fā)區(qū)的星系。普通的星系比如銀河系也形成恒星，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是一個著名的星暴星系，距離地球0.8億光年，由于NGC 4666星系和鄰近星系的引力交互作用，促使NGC 4666星系內(nèi)大量產(chǎn)生恒星。
一些科學(xué)家提出，超大質(zhì)量黑洞的形成有可能是由星暴星系產(chǎn)生的。在一項最新研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個距離地球約130億光年的原始星系。這個星系的發(fā)現(xiàn)將有望打破原有此類星系的距離紀(jì)錄，并揭開有關(guān)宇宙早期歷史中一些最大質(zhì)量“恒星生產(chǎn)車間”如何以及何時運作的奧秘。（記者 于紫月）