黑洞的軌道上有個(gè)甜甜圈？射電天文學(xué)為我們揭開(kāi)射電星系的神秘面紗

大小不一的“瓣”，閃爍的“嬰兒”，射電星系中正在發(fā)生什么？

（圖片來(lái)源：海洛創(chuàng)意-Shutterstock[1]）

本文最早在解釋型新聞網(wǎng)（The Conversation）[2]上發(fā)布，隨后站方將這篇文章投稿至Space.com的“專(zhuān)家之聲：評(píng)論和見(jiàn)解”（Expert Voices: Op-Ed & Insights）一欄。

凱瑟琳·羅斯（Kathryn Ross），博士，科廷大學(xué)。

娜塔莎·赫爾利·沃克（Natasha Hurley-Walker），射電天文學(xué)家，科廷大學(xué)。

我們已經(jīng)從深空的射電圖像中找到了數(shù)百個(gè)正處于嬰兒時(shí)期的超大質(zhì)量黑洞，星系中的光線在它們周?chē)l(fā)生了讓人難以置信的扭曲。

星系是巨大的宇宙天體，由氣體、塵埃和恒星組成（就像我們的太陽(yáng)），它們的大小通常能達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)光年。

在知道這些星系的大小的情況下，你也許會(huì)認(rèn)為它們發(fā)出的光線會(huì)緩慢而穩(wěn)定地變化，其時(shí)間尺度將遠(yuǎn)長(zhǎng)于一個(gè)普通人類(lèi)的壽命。

但是我們發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》[4]（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上的研究發(fā)現(xiàn)，有些星系中光線變化的速度非?？?，只需要幾年時(shí)間，而且這類(lèi)星系的數(shù)量之多遠(yuǎn)超我們的想象。

什么是射電星系？

天文學(xué)家認(rèn)為，大多數(shù)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。其中一些黑洞十分活躍，它們會(huì)發(fā)出大量的幅射。

黑洞那強(qiáng)大的引力場(chǎng)會(huì)將周?chē)囊磺形镔|(zhì)拖進(jìn)其中，將它們撕碎后形成一個(gè)由熱等離子體[5]構(gòu)成的吸積盤(pán)[6]——就像一個(gè)軌道上的甜甜圈。

這個(gè)圓盤(pán)以接近光速的速度繞黑洞運(yùn)行，圓盤(pán)的磁場(chǎng)將其中的高能粒子加速成一束束沿著黑洞軸向的細(xì)長(zhǎng)“噴流”（jets）。隨著粒子與黑洞間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，這些噴流會(huì)逐漸擴(kuò)散開(kāi)來(lái)變成巨大的蘑菇狀云或“瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)”（lobes）[7]。

（圖解：射電星系大力神A的中心有一個(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞。圖為黑洞發(fā)射的高能粒子流最后逐漸擴(kuò)散成瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：NASA，ESA，S. Baum & C. O’Dea(RIT)，R. Perley & W. Cotton(NRAO/AUI/NSF)，and the Hubble Heritage Team(STScl/AURA)）

這整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了射電星系[8]，而它之所以被如此命名就是因?yàn)樗鼤?huì)釋放出大量的射頻輻射[9]。射電星系可能橫跨了數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)光年的尺度，因此需要數(shù)億年才能展現(xiàn)出一些較為劇烈的變化。

天文學(xué)家有一個(gè)一直以來(lái)的疑問(wèn)：為什么有些射電星系擁有巨大的瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，而另一些射電星系的雙瓣結(jié)構(gòu)體積卻十分有限？現(xiàn)有兩種理論對(duì)這個(gè)問(wèn)題作出了解釋。其中一種理論認(rèn)為粒子噴流受到了黑洞周?chē)芗奈镔|(zhì)的阻擋，從而形成了體積相對(duì)較小的“受挫瓣”。

然而，這種現(xiàn)象的一些細(xì)節(jié)仍然是未知的。我們目前還不清楚這些瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)是否只是暫時(shí)被它周?chē)w積小而密度極高的環(huán)境給困住了，還是說(shuō)它們正緩慢地穿過(guò)一個(gè)更大而密度較小的空間。

另一種理論給出的解釋是小體積的瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)是粒子噴流還未完全擴(kuò)散至更遠(yuǎn)距離時(shí)的早期表現(xiàn)。

紅色的老年星系與藍(lán)色的新生星系

無(wú)論一個(gè)射電星系的年齡是大是小，我們都可以通過(guò)現(xiàn)代射電天文學(xué)的巧妙運(yùn)用來(lái)辨別——觀察它們的“射電顏色”。

我們查看了默奇森大射電陣（Murchison Widefield Array, MWA）的銀河系以及河外星系GLEAM全天巡視數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)展示了20種不同無(wú)線電頻率下的天空，為天文學(xué)家提供了一幅前所未有的天空射電圖像。

在射電圖像中，新生的射電星系將呈現(xiàn)藍(lán)色，這意味著它們?cè)谏潆婎l率越高時(shí)亮度越高。與此同時(shí)，一些年紀(jì)較大或?yàn)l臨死亡的射電星系會(huì)呈現(xiàn)紅色，即意味著它們?cè)谏潆婎l率較低時(shí)更為明亮。

過(guò)去我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了554個(gè)新生射電星系。但當(dāng)我們將時(shí)隔一年拍攝的相同數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行對(duì)比時(shí)，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)其中有123顆的亮度在反復(fù)波動(dòng)，仿佛是這些星系在閃爍一般。這成為了我們心中的一個(gè)謎題。

大小在一光年以上的物體不可能在不到一年的時(shí)間內(nèi)亮度發(fā)生如此大的變化，而不違背任何物理定律。所以，要么是因?yàn)槲覀冋业降男窍颠h(yuǎn)比預(yù)期的小，要么就是發(fā)生了其他事情。

幸運(yùn)的是，我們有找到答案所需要的數(shù)據(jù)。

過(guò)去對(duì)射電星系變化特征的研究通常是針對(duì)少量星系，或使用從多架不同望遠(yuǎn)鏡收集的檔案數(shù)據(jù)，抑或是僅在單一頻率下進(jìn)行的。

在我們的研究中，我們?cè)谝荒陜?nèi)通過(guò)多種射電頻率觀測(cè)了21000個(gè)以上的星系。這是首次“光譜變化”觀測(cè)，使我們能夠看到星系在不同頻率下的亮度是如何變化的。

一些不斷波動(dòng)的年輕的射電星系在一年的時(shí)間里發(fā)生了翻天覆地的變化，以至于我們懷疑它們根本就像嬰兒一樣，也有可能這些致密的射電星系其實(shí)是正值青春期的少年，正在以遠(yuǎn)比我們想象更快的速度長(zhǎng)大成人。

雖然大多數(shù)可變星系的亮度在不同射電顏色上的增減幅度大致相同，但也有一些特立獨(dú)行的星系存在。此外，還有51個(gè)星系在亮度和顏色上同時(shí)發(fā)生了變化，這也許是造成這種特征的一個(gè)線索。

成因的三種可能

閃爍的星系

來(lái)自恒星的光線穿過(guò)地球大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生扭曲，這就產(chǎn)生了我們?cè)谝箍罩锌吹降男切情W爍的效果，我們稱(chēng)之為“閃爍”（scintillation）。在本次觀測(cè)中，射電星系發(fā)出的光線穿過(guò)銀河系之后，才到達(dá)了我們地球上的望遠(yuǎn)鏡。

因此，我們星系中的氣體和塵?？赡芤酝瑯拥姆绞绞构饩€發(fā)生了扭曲，從而產(chǎn)生了閃爍的效果。

耀變體

在我們的三維宇宙中，有時(shí)黑洞會(huì)直接向地球發(fā)射高能粒子，這樣的射電星系被稱(chēng)作“耀變體”（blazar）[11]。

這時(shí)我們不會(huì)看到細(xì)長(zhǎng)的粒子流和巨大的蘑菇狀瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，而會(huì)看到一個(gè)呈極小的亮點(diǎn)狀的耀變體。它們能在短時(shí)間內(nèi)展現(xiàn)出極強(qiáng)的變化性，因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞周?chē)l(fā)生的任何一次小型噴射，其產(chǎn)生的物質(zhì)都會(huì)直接指向我們。

黑洞打嗝

當(dāng)星系中心的超大質(zhì)量黑洞像“打嗝”似的釋放出一些多余的粒子時(shí)，它們會(huì)形成一個(gè)粒子團(tuán)，沿著噴流緩慢地移動(dòng)。隨著粒子團(tuán)向外擴(kuò)散，我們會(huì)首先在“射電藍(lán)”中檢測(cè)到它，然后再在“射電紅”中檢測(cè)到它。

展望

這是我們首次在技術(shù)上有能力對(duì)多種射電顏色進(jìn)行大規(guī)模的變化特征觀測(cè)，結(jié)果表明，我們對(duì)射電天空的認(rèn)識(shí)還不夠充分，也許射電星系遠(yuǎn)比我們預(yù)期的更有活力。

（圖源：SKAO/CRAR/SARAO）

隨著新一代望遠(yuǎn)鏡投入使用，特別是平方千米陣列（Square Kilometre Array, SKA）[12]，天文學(xué)家將在之后數(shù)年的時(shí)間里建立起天空的動(dòng)態(tài)圖像。

與此同時(shí)，觀察這些行為怪異的射電星系，并且特別關(guān)注這些不斷波動(dòng)的“嬰兒”，也有著重要的意義和價(jià)值。

BY:Natasha Hurley-Walker

FY:趙若彤

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