探寻类星体快速“熄灭”的秘密
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  探寻类星体快速“熄灭”的秘密 (图)

来源:科技日报  发布时间: 2018-04-03 作者:

  抬头仰望夜空,穹顶寂静无声,天幕繁星点点,这一切总会勾起我们无限的遐想。宇宙中有一类致密的发光天体叫类星体。在一般的地面望远镜看来,它们像恒星一样,但释放的能量却是星系的千倍以上。

  一直以来,天文学家认为类星体会在数百万年内保持活跃状态,放出耀眼的光芒,然后花费上万年的时间归于平静。但2014年,美国天文学家斯坦芬尼·拉玛萨发现一颗类星体,它们仅花费数年便从活跃变为宁静。近日,斯隆数字巡天项目公布了它的第五期观测计划。揭开这类类星体的神秘面纱,是它的目标之一。

  巨大能量来自黑洞吸积

  恒星的高能辐射来自其内部的热核反应。类星体的能量从何而来?如果也是来自热核反应,那么一个中等光度的类星体一年就要消耗近一个太阳质量的核燃料,可天文观测并没有找到这样的证据。

  天文学家想到了黑洞吸积。观测表明大质量星系的中心普遍存在一颗超大质量黑洞。它们大部分时候处在比较宁静的状态,但当吸积周围物质的时候,会在周围形成一个吸积盘,并释放出电磁辐射。此时星系的中心犹如一个明亮的核,被称为活动星系核。当星系离我们比较远,黑洞活动又很剧烈的时候,星系里恒星的光完全被活动星系核的光淹没了,从地面上看起来这类天体如同一颗恒星,这就是类星体这个说法的来由。

  基于观测事实,天文学家提出了活动星系核的统一模型,认为活动星系核基本结构从内往外可以分为黑洞、吸积盘、宽线发射区、尘埃环以及大尺度上的窄线发射区,有少部分活动星系核还有从中心出来的喷流。

  根据引力理论,任何有质量的物体都能被压缩成黑洞,比如把地球压缩到1厘米,就是一个迷你黑洞。如果把它放到操场中心,当做星系中央的黑洞,那么吸积盘延伸出去的尺度差不多是1米,几乎所有的高能辐射来自这里;宽线发射区比吸积盘大23个量级,接近一个大学校园的尺度;而尘埃环的尺度则快超过一个城市的尺度了;窄线发射区和喷流的尺度可以比尘埃环的大14个量级,这样算来类星体的主体差不多可以达到几百公里到上千公里,而喷流可延伸至百万公里,这个距离已经超过地球到月亮的距离了。

  快速“熄灭”缘自黑洞“食量”变化

  与类星体的主体相比,超大质量黑洞的尺度微乎其微。它是如何对广袤的星系施加影响的?天文学家通常认为黑洞和其宿主星系之间很可能存在共同演化。类星体往往会在上百万年的时间内处于活跃状态,不断吸积周围的物质发出高能辐射,一部分能量会以外流或喷流形式反馈到星系中,影响星系中的恒星形成活动,然后再花数万年的时间归于平静。类星体活跃的时间相对于整个星系动辄几十亿年的演化时标来说很是短暂,但其活跃期间放出能量比普通星系一生放出的还要多。有理由相信它们对星系的形成演化起着至关重要的作用。

  近两年科学家发现个别类星体能在短短几年内“熄灭”,这类类星体被称作类型转变的类星体。观测上类星体可以分成两类,一类光谱同时有宽和窄发射线;一类光谱中只有窄发射线。快速归于平静的类星体,正是因为其类型发生了转变。

  统一模型认为不同类型的类星体只是由于它们相对观测者的角度不同,本质上是同一事物,因此类型并不会变化。类型转变类星体的发现,对这一观点发出了挑战。

  对类型转变的类星体,科学家主要有两种解释,一种认为类型的转变是由于尘埃云团在视线方向的遮蔽,另一种认为是由于中央黑洞吸积能力的剧烈变化。

  类型转变类星体吸引了天文学家的兴趣。从2014年以来,有20多颗类型转变类星体被发现。笔者对其中的10颗进行了研究,发现在类型转变的过程中,它们发出的光学辐射先发生变化,随后其红外辐射也会发生变化,而且变化幅度显著。这些现象无法用尘埃遮蔽来解释,只能归结于通过吸积盘流入黑洞的物质的量发生了变化。

  进一步研究类星体熄灭机制,对于弄清黑洞吸积物理过程,揭示黑洞与星系共同演化至关重要。

  我们就在类星体中?

  类星体离我们很遥远。目前观测到离我们最远的类星体,其红移超过了7。这意味着,我们看到的,其实是宇宙刚诞生不久时类星体发出的光。通过研究宇宙不同时期的类星体,有助于我们了解宇宙的大尺度的结构和演化。

  类星体作为宇宙中一类神奇的天体,自发现以来已经过了半个多世纪,至今仍有诸多奥秘等待着人们去发掘。不妨再遐想一下,按照目前的认知,如果将宇宙作为一个整体,其密度已经超过了成为黑洞的条件。那么我们的宇宙本身会不会就是一个黑洞?我们也许都处在这个大“怪兽”的肚子里,甚至有可能宇宙的外面就是个类星体?