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科技報導

幾億年前的黑洞爆發 留下了前所未有的巨大“空洞化石”



在距離地球約3.9億光年的深空中,坐落著一個龐然大物——蛇夫座星系團。如果以我們常用的X射線觀測,它是人類迄今為止發現的第二亮的星系團,僅次於3億光年外的英仙座星系團。近年來,天文學家逐漸挖掘出這顆璀璨明珠背後隱藏了幾億年的秘密。

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近期,美國和澳大利亞等多國天文學家聯合研究發現,此前在蛇夫座星系團中觀測到的巨大、神秘的氣體空腔,系該星系團中央巨大黑洞在很久之前的爆發活動所致。也就是說,中央黑洞猛烈釋放能量,在其周圍“砸”出一個巨大空洞,直徑約為150萬光年,可以裝下15個連成一排的銀河系。該研究成果日前發表於《天體物理學》雜誌上。

文章第一作者、美國海軍研究所研究人員西蒙娜·吉亞辛圖奇將這一空洞比喻成“巨大的射電化石”,足見其由來已久。

迷霧重重,探究能量源頭

研究人員表示,此前也在其他星系團中發現過類似的空洞,如前文提及的英仙座星系團以及長蛇座 A星系團等。但蛇夫座星系團內出現的空洞之大卻是前所未見。他們估計,製造該空洞所需的能量可能是此前已知最大同類空洞所需能量的6倍。 10億個太陽發光10億年所產生的能量也不及引起這次爆炸能量的百分之一。

該空洞究竟是如何形成的?根據此前的研究推斷,應該是活動星系核導致。

活動星系核是指一類中央核區活動性很強的系外星系核心,活躍而明亮。通常認為,活動星系核的“發動機”是一個超大質量黑洞。黑洞吸引物質,在其周圍形成了一圈不停轉動的吸積盤。吸積盤中的物質不斷落入黑洞,物質損失的角動量,以能量的形式被黑洞“吐出”,在吸積盤的垂直方向形成高速噴流。

以往的研究中,無論是英仙座還是其他星系團,人們都能觀測到正在爆發的中央黑洞。黑洞的噴流就像黑暗中耀眼明亮的一道光束,攜帶著巨大的能量,可以加熱並“驅逐”周圍彌散的氣體,造成類似的空洞景象。

然而,蛇夫座空洞的能量源頭之謎解得卻甚是曲折。

“早在2006年,蛇夫座空洞就引起了研究人員的注意。”中國科學院國家天文台研究員陸由俊在接受科技日報記者採訪時表示,另一組研究人員當時通過錢德拉太空望遠鏡提供的X射線數據,發現蛇夫座星系團內有一個“奇怪的曲邊”,即空洞的邊緣。但令人疑惑的是,蛇夫座星系團中央黑洞十分黯淡沉寂,並沒有正在爆發的跡象。另一方面,彼時研究人員認為,製造這一空洞需要的能量太大,因此否認了黑洞爆發導致空洞形成的可能性。

如今,為何又將以黑洞為引擎的活動星系核判為“罪魁禍首”呢?

“此次研究利用的是射電波段數據,研究人員從中發現了高能量的相對論性電子,黑洞噴流能直接地、大規模地產生這些高能量電子。”中國科學院國家天文台研究員陳學雷告訴科技日報記者,2006年的研究主要依賴於X射線數據,受限於波段區域,無法探測到相對論性電子,只能探測到能量相對較低的電子,這些電子的來源既包括星系團中央黑洞爆發,也包括星系團並合活動等其他天文事件。因此,在當年的研究數據支撐下,蛇夫座空洞形成的能量源頭還不甚明朗。

“若此次研究成果據實,謎底的天平會向‘中央黑洞爆發’這一端傾斜。”陳學雷說。

沉寂寧靜,等待下一輪迴

在陳學雷看來,這也許並非是蛇夫座星系團中央黑洞一次性短暫爆發導致的結果,很可能是經過幾千萬年甚至幾億年的長時間積累,才呈現出如今所見的龐大空洞。

遺憾的是,蛇夫座星系團的星系核已經變得“懶惰”,中央黑洞也寧靜下來,中央核區釋放的信號很弱,今後的幾代人也許有生之年都無法領略到蛇夫座星系團中央核區的“焰火”之美。

是什麼原因讓活躍的活動星系核沉寂下來?陳學雷表示,據現有的數據推測,活動星系核活動的時間可能持續幾千萬到幾億年。星系核活動時需要通過黑洞吸收周圍物質產生能量,反過來,黑洞噴流會將周圍的物質吹散,久而久之,當黑洞周圍的所有物質皆被驅散到遠處,黑洞便會“餓死”,活動星系核也會沉寂下來。待經歷漫長時間的演變,四散的物質重新被黑洞吸引,便又開啟了下一個輪迴。

“由此可見,活動星系核爆發之後的沉寂實則是必然,只不過人類幾十年前才具備相應的觀測手段,在人類活動的時間尺度上難以觀測到活動星系核爆發到停止的整個過程。 ”陳學雷說。

雖然蛇夫座星系團內的星系核不再活躍,但它造成的巨大空洞還未消散,可以幫助我們還原幾億年前的星空歷史。而這場遠古的爆發所帶來的影響,遠比我們觀測到的空洞表象深遠得多。

“活動星系核的爆發能夠在一定程度上抑制恆星的形成。”陸由俊指出,恆星的誕生與宇宙中高密度的冷卻氣體息息相關,而黑洞噴流會將周圍的氣體加熱,一定程度上阻礙了恆星誕生的步伐。這種現像被稱為活動星系核反饋效應。

“家族”添丁,更多謎題待解

“此次對蛇夫座星系團的研究,為星系團中活動星系核所致大型空洞現象的’大家族’擴充了一個案例,對我們研究星系形成過程中的核心環節,即活動星系核反饋效應,提供了幫助。”陸由俊道。

與以往類似事件不同的是,此次研究人員觀測到蛇夫座星系團內部存在一個冷核,冷核周圍到核心的能量從10keV(千電子伏特)急劇下降到1keV以下,溫度也隨之出現斷崖式下降。而冷核往往會在黑洞爆發時被高溫噴流摧毀。

在陸由俊看來,蛇夫座星系團活動星系核爆發之後進入長時間的沉寂,星系團內的氣體少有能量注入,才導致了該冷核的形成。 “由此可見,此次研究對星系團內部加熱、冷卻問題的研究也有所裨益,進而對蛇夫座早期的活動星系核反饋過程有所了解。”

星空浩瀚無比,探索永無止境。

陸由俊表示,針對蛇夫座星系團空洞現象,還有一些問題需要深入的研究。比如,要進一步搞清楚蛇夫座星系團中央黑洞的具體大小,進而可估計出該黑洞能否產生足夠的能量,形成這一龐大空洞。再者,即便能量充足,被眾多星系團團“圍困”的噴流能否發射到空洞的位置並依然保存著巨大的能量,這也是需要進一步論證的。

此次研究利用了澳大利亞默奇森寬場陣列和印度的巨米波射電望遠鏡收集到的射電信息。 “隨著低頻射電望遠鏡和更多新型觀測技術的發展,相信會有越來越多類似的現像被觀測到,也會有更奇特的天文景觀等待我們去挖掘探索。”陳學雷說。