天文學(xué)家們進行了長達十年的跨國合作,跟蹤觀察了一個黑洞吞噬恒星的事件,從而有可能解開早期宇宙中的星系形成之謎。
李·比林斯(Lee Billings)
利用世界各地望遠鏡收集起來的長達十年的數(shù)據(jù),科學(xué)家們捕捉到了新的細節(jié):一個巨型黑洞正在吞噬一顆不幸的恒星,他們觀察到這個黑洞吞噬其獵物時以接近光的速度噴出一股物質(zhì)射流。該研究成果發(fā)表在不久前出版的《科學(xué)》雜志上,有助于研究人員更加清楚地了解黑洞是如何成長的,又是如何影響星系周圍環(huán)境的。
研究論文的作者之一、西班牙安達盧西亞天體物理學(xué)研究所的米格爾·佩雷茲-托雷斯(Miguel Pérez-Torres)說:“對于黑洞吞噬恒星事件中射流的形成和演化情況,我們以前從未直接觀察到過。”
2005年1月,科學(xué)家們首先發(fā)現(xiàn)了該事件的跡象。當(dāng)時,芬蘭圖爾庫大學(xué)天文學(xué)家塞波·馬提拉(Seppo Mattila)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了Arp 299內(nèi)部一個明亮的點狀紅外光源。Arp 299是一對正在合并的星系,距離地球1.5億光年。同年7月,佩雷茲-托雷斯帶領(lǐng)著另外一個研究小組重新分析了以前收集的資料,證實同一區(qū)域有一個強烈的無線電波源。
兩個研究小組都一直在碰撞中的Arp 299星系核心附近尋找超新星,其核心處是一個塵埃遮蓋的區(qū)域,其中充滿了氣體云團和由于正在合并而新形成的巨型恒星。起初,他們認為他們所發(fā)現(xiàn)的正是一顆超新星,這種大規(guī)模恒星爆炸在可見光和X射線波長范圍內(nèi)特別明亮。但是,由于星系A(chǔ)rp 299的中心被塵埃遮蓋,大部分可見光和X射線都將會被塵埃吸收,以紅外光的形式重新散發(fā)輻射,然后超新星殘骸將會發(fā)出無線電波。然而,隨后利用美國國家航空航天管理局(NASA)的斯皮策太空望遠鏡進行了觀測,結(jié)果表明這個光源太明亮了,所發(fā)出的光比一個典型的小規(guī)模星系還要明亮幾百倍。這說明,這個光源根本不是一顆超新星,而是一起潮汐瓦解事件(TDE)——一顆恒星正在被一個超大質(zhì)量黑洞撕裂。
在潮汐瓦解事件中,被撕裂的恒星大約有一半從黑洞中甩出,另一半則沉入黑洞之中,堆積在洞穴周圍,融入旋轉(zhuǎn)的發(fā)光碎片盤中,這個發(fā)光盤可能會被誤認為是超新星。然而,這次是不可能搞錯的,潮汐瓦解事件還有另外一個特征:由于強烈磁場產(chǎn)生的扭曲作用,恒星物質(zhì)雙射流就像拉斷的橡皮筋那樣,以接近光的速度從黑洞附近噴出。射流沖進彌漫于星際空間的氣體中,產(chǎn)生大量的無線電波,從地球上有可能會看到這些無線電波。因此,馬提拉、佩雷茲-托雷斯和34名另外的合作者組織了一場跨國研究行動,利用全球的射電望遠鏡網(wǎng)絡(luò)來獲取高分辨率射電源圖片,耐心地定期監(jiān)測這個射電源的大小和形狀,尋找射流的跡象。
2011年,研究人員的耐心開始得到回報——那個點狀光源開始向無線電波長靠攏,這可能是由于釋放出射流而造成的。2015年年底,點狀光源擴張為一條光帶,研究小組為其擴張的速度進行了計時,結(jié)果大約為每秒50000英里,相當(dāng)于光速的四分之一。馬提拉稱,研究小組多年來對數(shù)據(jù)進行了仔細研究,對潮汐瓦解事件中的光線和射流將如何穿過塵埃遮蓋的Arp 299核心進行了認真模擬,他們得出了一個可信的解釋:“釋放的紅外光和無線電來自一顆倒霉恒星的瓦解過程,這顆恒星經(jīng)過時距離這個超大質(zhì)量黑洞太近了,正在被這個宇宙龐然大物所吞噬?!狈催^來,此次潮汐瓦解事件確定了這個相當(dāng)于2000萬個太陽質(zhì)量的超級黑洞在Arp 299中心的確切位置,同時也揭示了這顆被吞噬恒星的大小——比我們的太陽大2至6倍。
馬提拉和佩雷茲-托雷斯稱:有關(guān)這個新發(fā)現(xiàn),最令人感到驚喜的事情是,他們的的確確發(fā)現(xiàn)了潮汐瓦解事件。近年來,天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并研究了幾次其他的潮汐瓦解事件,但是那些大都是根據(jù)可見光的亮度而發(fā)現(xiàn)的,而不是通過釋放的紅外光和無線電發(fā)現(xiàn)的。佩雷茲-托雷斯說:“潮汐瓦解是非常罕見的現(xiàn)象,要想發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,通常需要監(jiān)測的星系在數(shù)量上極其巨大。”他還說道:在正在合并的星系A(chǔ)rp 299中發(fā)現(xiàn)了一個由塵埃遮蓋的潮汐瓦解事件,這意味著這種事件可能會更加常見于塵埃遮蓋的環(huán)境中。在相互碰撞的星系中,朝著中心部位的黑洞集中的氣體形成恒星,這種恒星可能會比較有規(guī)律地引起潮汐瓦解事件。反過來,這些潮汐瓦解事件中涌出的能量可能會產(chǎn)生深奧的影響,在星系合并過程中起到促進或抑制恒星形成的作用。
此外,馬提拉指出:在遙遠的宇宙中,在星系形成和演化的早期階段,像Arp 299這樣的系統(tǒng)更加常見。他說:“因此,我們所發(fā)現(xiàn)的這個事件可能只是冰山一角,這類隱藏的潮汐瓦解事件在宇宙年輕時期更加常見?!瘪R提拉還說道:盡管目前多數(shù)潮汐瓦解事件仍然“隱藏于塵埃之后”,但是在接下來的十年中,未來的紅外和射電天文臺或許能夠使天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)更多潮汐瓦解事件,能夠為他們揭開此類事件的神秘面紗,使他們穿越宇宙的時空,更加深入地研究星系群。
(胡德良譯自科學(xué)美國人網(wǎng)站)