由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動的類星體出乎意料地消失，科學(xué)家們已經(jīng)開始尋找原因。斯蒂芬妮·拉瑪薩（Stephanie LaMassa）在看過電腦上的兩張圖片后恍然大悟，這兩張圖片雖然看上去不同，但描述的是同一個物體。

第一張圖片由2000年斯隆數(shù)字巡天(Sloan Digital Sky Survey)拍攝，圖片中的物體很像典型的類星體：極其明亮而遙遠(yuǎn)的天體，由銀河系中心超大質(zhì)量黑洞提供動力。它是藍色的，并且有著寬闊的光峰。但在2010年測量的第二幅圖像中，它的亮度僅為原來的十分之一，沒有出現(xiàn)同樣的峰值。

博科園-科學(xué)科普：類星體似乎消失了，只留下了另一個星系，盡管類星體消失，轉(zhuǎn)變?yōu)樾窍?，但這個過程需要1萬年甚至更長時間。然而這類星體似乎在不到10年的時間里就消失了——這只是宇宙一眨眼的功夫。在太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所工作的天文學(xué)家拉瑪薩現(xiàn)在感到很困惑。在2014年之前，她和其他許多人一樣，都預(yù)計類星體將相對停滯不前。然后你將看見人一生中發(fā)生的巨大變化，這很酷。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類星體暗淡的例子，但天文學(xué)家們想知道，像拉瑪薩發(fā)現(xiàn)的劇烈變化是否已經(jīng)普遍存在。檢驗其真實性并不是一項簡單的任務(wù)，調(diào)查一但深入就不會回頭觀看之前觀察到的物體。

天文學(xué)家們通過歸檔數(shù)據(jù)進行了搜索，發(fā)現(xiàn)了50到100個不斷變化的類星體。其中一些類星體比拉瑪薩的發(fā)現(xiàn)黯淡了很多，還有一些在一兩個月的時間里就發(fā)生了轉(zhuǎn)變，其他一些類星體在消失后又重新出現(xiàn)。伊利諾伊大學(xué)(University of Illinois)天文學(xué)家埃里克·摩根森(Eric Morganson)說：很明顯，我們以前沒有發(fā)現(xiàn)這些物體的原因是我們沒有尋找過它們。但是，如此巨大的天體——由太陽系的氣體和塵埃渦旋旋成數(shù)百萬太陽質(zhì)量的黑洞而產(chǎn)生的超亮燈塔 ，怎么會如此迅速地消失呢？

起初天文學(xué)家拒絕相信它們是類星體，而認(rèn)為它們是偽裝成類星體的超新星和耀斑恒星，又或是塵埃星云暫時擋住了視線。然而，這些想法在很大程度上未能符合天文學(xué)家的觀測結(jié)果。過去的一年里，天文學(xué)家更加仔細(xì)地觀察了這些系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)節(jié)，表明了吸積盤（環(huán)繞黑洞的熱物質(zhì)漩渦）賦予了這些物體耀眼的亮度，亮度會忽明忽暗。

1、黑洞二重身

在過去的四年里，天文學(xué)家們一直試圖用最簡單的理論來理解不斷變化的類星體。首先，這意味著要找到不需要對吸積盤進行全面更改的場景。為了了解原因，考慮系統(tǒng)的大小大有益處。如果能把類星體放置到太陽系的頂部，超大質(zhì)量黑洞就會吞噬太陽，而吸積盤也會延伸數(shù)萬倍。要想讓類星體消失，所有這些物質(zhì)都必須向內(nèi)旋轉(zhuǎn)并落入黑洞。計算甚至觀察都表明，這一過程需要花數(shù)萬至數(shù)十萬年的時間。哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的天體物理學(xué)家保羅·格林說：吸積盤不可能像我們看到的那樣迅速消失。如果真是那樣，物理學(xué)就真的沒有意義。

所以天文學(xué)家考慮了其他可能性，2014年當(dāng)拉瑪薩第一次發(fā)現(xiàn)驚人的現(xiàn)象時，她推測，這顆明亮的類星體被一團巨大的塵埃云擋住光線。但是當(dāng)她和同事們試圖模擬這個場景時，只有一個過于復(fù)雜的多云環(huán)境才能重現(xiàn)這一觀測結(jié)果。除此之外，任何改變都需要比幾年更長的時間。其他一些人認(rèn)為這些物體或許根本就不是類星體。2015年德國馬普外層空間物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)的安德里亞·梅洛尼(Andrea Merloni)提出：或許拉瑪薩觀測的天體實際上是一顆恒星，由于它距離黑洞過近，被黑洞撕裂而后形成了一束明亮的耀斑。同樣也有人認(rèn)為所謂的類星體實際上是強大的超新星。

這兩種猜測的物體都很像類星體，而且都比它們的寄主星系更亮，甚至可能發(fā)出類似波長的光。然而這些物體的光線會在幾個月到幾年的時間里逐漸減弱，從而與變化的類星體背后的時間尺度相匹配。但問題是，光線也會隨著一個特殊的特征而減弱，這是天文學(xué)家沒有了解到的部分。所以研究人員最近又轉(zhuǎn)向研究類星體，并且得到一些新研究的幫助，這些研究已經(jīng)探索了物體本身的旋轉(zhuǎn)圓盤。2017年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的天文學(xué)家盛振峰和同事們在可見光和紅外光下觀察了多個變化的類星體。

這些波長使研究小組不僅可以看到每一個類星體的吸積盤，還可以看到它的環(huán)面——包裹在吸積盤周圍的環(huán)狀塵埃云。吸積盤向黑暗的環(huán)面發(fā)出可見光，在那里它被吸收并以紅外光的形式重新發(fā)射。因此任何在吸積盤上發(fā)生的改變將會在環(huán)面內(nèi)回顯。與其他研究一樣，盛和同事也看到了這一現(xiàn)象，從而得出這樣的結(jié)論：這是流經(jīng)吸積盤的物質(zhì)量變化的標(biāo)志。這種大范圍的變化如何發(fā)生仍頗有爭議，但最近出現(xiàn)了許多假說。

2、吃自助餐與換形

它可能是一個不需要完全清除板塊才能消失的類星體。理解這點要將吸積盤分解成單獨部分:明亮的內(nèi)部區(qū)域照亮了暗淡的外部區(qū)域。如果黑洞吞噬了內(nèi)部區(qū)域(這一過程可能在幾個月內(nèi)發(fā)生)，內(nèi)部盤就會消失，如果沒有明亮的燈塔，外部盤就會變暗，這就好比太陽的死亡導(dǎo)致月球失去光芒一樣。將它們與自助餐的人類比，如果面前有無限多的食物，它們就會以最快的速度進食，然后保持相對穩(wěn)定。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)食物還在的時候，它們只是在休息?；蛟S吸積盤改變了它的形狀，這聽起來很瘋狂，但今年對兩個不同類星體的研究發(fā)現(xiàn)了這一理論的證據(jù)。

紫外線和藍色首先消失，然后是綠色，最后是紅色。這個序列從能量最高的顏色流向能量最低的顏色。因此它類似于從內(nèi)部磁盤到外部磁盤的波動變化。美國自然歷史博物館(American Museum of Natural History)的天體物理學(xué)家巴里?麥克南(Barry McKernan)表示：某種東西正在導(dǎo)致吸積盤從里到外逐漸變暗。因為顏色并沒有完全消失，研究人員并不懷疑內(nèi)部吸積盤被黑洞完全吞噬。相反，他們認(rèn)為一個冷卻鋒以驚人的速度從超大質(zhì)量黑洞中沖了出來。這種速度很重要，因為它可以揭示關(guān)于圓盤結(jié)構(gòu)的線索。

如果磁盤是粘性和湍流的，那么通過它發(fā)送信息相當(dāng)容易。因此當(dāng)冷鋒經(jīng)過時，磁盤必須是粘性的，吸積盤也就膨脹成甜甜圈一般，而不是一張DVD——最后才會坍塌成一個薄磁盤。但另一種假設(shè)則恰恰相反:吸積盤在膨脹之前開始變薄。當(dāng)超大質(zhì)量黑洞的低質(zhì)量分身變得不活躍時，當(dāng)它們在黑洞上吸積大量物質(zhì)時，它們的吸積盤就會非常薄而且發(fā)光。但當(dāng)吸積速率降低時，圓盤就會膨脹成一個準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)，難以發(fā)出光線。

日本東北大學(xué)的野田博文和英國杜倫大學(xué)的克里斯想知道這種膨脹是否會導(dǎo)致類星體的改變。所以今年將恒星質(zhì)量黑洞周圍吸積盤的模型應(yīng)用到超大質(zhì)量黑洞周圍。研究人員發(fā)現(xiàn)這種變化可能發(fā)生在類星體的吸積盤上，而且速度很快(雖然沒有幾十年那么快)。天文學(xué)家還不能說這個超大質(zhì)量黑洞是否已經(jīng)被餓死，是否圓盤本身已經(jīng)變形（不是膨脹就是塌陷）或者由完全不同的機制造成。目前還不清楚吸積盤中的氣體是如何從一個大半徑的軌道流向黑洞附近的軌道，以及它如何最終落入黑洞。耶魯大學(xué)天體物理學(xué)家梅格·厄里說：而其他因素，比如磁場可能在天文學(xué)家還不了解的情況下起著關(guān)鍵作用，這是我們想象力的失敗。

3、“謀殺-自殺協(xié)定”

盡管細(xì)節(jié)尚不清楚，但對氣體和塵埃如何流入黑洞的更好理解，將不僅僅是為了滿足我們的好奇心，它將有助于解釋星系如何進化。近20年前天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與整個星系的質(zhì)量密切相關(guān)。事實上，黑洞截斷了星系的增長，使其比模擬預(yù)測的要小10到100倍。麥吉爾大學(xué)的天體物理學(xué)家約翰·魯安（John Ruan）說：與整個星系相比，黑洞的引力圈很小，那么為什么兩者之間有著如此密切的聯(lián)系呢？當(dāng)首次發(fā)現(xiàn)兩者有關(guān)聯(lián)時，問題的答案仍是個謎，但天文學(xué)家現(xiàn)在懷疑類星體可能會對它們的宿主星系造成嚴(yán)重破壞，而且其影響非常深遠(yuǎn)。

類星體的強烈風(fēng)將塵埃和氣體吹出星系，它的極端光度將剩余的氣體加熱到新恒星無法形成的高溫。德雷塞爾大學(xué)(Drexel University)的物理學(xué)家戈登?理查茲(Gordon Richards)表示：它實際上是在“謀殺-自殺協(xié)定”中，讓自己和宿主星系都無法生存。由于天文學(xué)家無法同時觀測到一個遙遠(yuǎn)的類星體和它的星系，因此很難確定其細(xì)節(jié)。然而如果天文學(xué)家能夠進行宇宙實驗，他們將研究類星體，然后關(guān)閉開關(guān)，使其變暗。改變類星體的外觀實驗提供了一個前所未有的機會來更好地了解類星體的深遠(yuǎn)影響。

但是要真正把握兩者之間的關(guān)系，天文學(xué)家還需要一個更大的不斷變化的類星體樣本。為了找到它們，必須一次又一次地返回到相同的類星體和星系去發(fā)現(xiàn)任何變化。從2017年開始，位于加州的Zwicky Transient就已經(jīng)開始繪制天空的地圖了，大約每年回到同一個物體300次。另外，更多的設(shè)施也將不斷出現(xiàn)。例如計劃于2022年投入使用的大型天氣觀測望遠(yuǎn)鏡將每晚以五種顏色繪制整個天空。將拍攝一部關(guān)于整個天空的彩色電影，它將會發(fā)現(xiàn)數(shù)以百萬計的奇妙物體。

麥克南對未來的發(fā)展方向持保留態(tài)度。在樂觀的時刻，他希望調(diào)查能幫助天文學(xué)家抓住機會，如果我們在正確的時間、地點，能夠捕捉到其中一件正在發(fā)生的事情，并使用多種儀器進行跟蹤，我們可能會取得突破。盡管那仍然需要一點運氣，但這樣的觀察甚至可能有助于描述未來的銀河系。畢竟在大約50億年的時間里，我們的星系和仙女座星系將發(fā)生碰撞，這可能會引發(fā)另一個類星體，并使我們的夜空陷入混亂。對這些細(xì)節(jié)更清晰的預(yù)見可能來自于對類星體神秘的消失行為更好的理解。

博科園-科學(xué)科普｜文：Shannon Hall/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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