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超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳

发布时间:2018-01-24 11:10:22  作者:公众号漫步宇宙  来源:本站原创  阅读:611

      最近,科学家在一个遥远星系的中央发现了一个正在吞噬着大量宇宙气体物质的特大质量黑洞,该黑洞在吞噬过程中还会抛射出大量的高能粒子流。粒子流在被抛射出来之后会失去能量,就类似于关了开关的灯泡,但过了10万年之后,这些高能粒子流又重新开始辐射能量。
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    艺术概念图:巨型黑洞正在发挥“宇宙吸尘器”作用
      科学家一般将快速增长的特大质量黑洞称为活动星系核。最近科学家在一个遥远星系的中央发现了一个正在吞噬着大量宇宙气体物质的特大质量黑洞,该黑洞在吞噬过程中还会抛射出大量的高能粒子流。粒子流在被抛射出来之后会失去能量,就类似于关了开关的灯泡,但过了10万年之后,这些高能粒子流又重新开始辐射能量,像是关了的灯又通上电一样。
      活动星系核在一个星系中央区有着比普通星系更加强烈的光度,部分波段或甚至全部波段里都发出很强的电磁波谱。其辐射可覆盖从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线到伽马射线。光度大约在10^36-10^41J/s之间。
      容纳活动星系核的宿主星系为活动星系。活动星系核是这些星系明亮的核心部分,尺度通常在1光年上下,只占整个活动星系的很小一部分。活动星系核是宇宙中电磁辐射最明亮的持久性来源,因此可以用来发现遥远天体,活动星系核的能量可能源自星系的碰撞。 
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    这张图片中显示的是星系SDSS J1354+1327。该星系是斯隆数字化巡天天文望远镜首先发现的,所以名字里面就带有斯隆数字化巡天的英文简写“SDSS”。
      这张图片是通过钱德拉X射线天文台、哈勃空间望远镜的观测数据合成的。其中,紫色部分来自于钱德拉X射线天文台,红色、绿色及蓝色部分来自于哈勃空间望远镜。扩大的方形特写区域显示的是,星系SDSS J1354+1327中央内部存在着特大质量黑洞的区域。星系SDSS J1354+1327的北边存在着一个伴星系J1354+1328,它们之间由相互碰撞产生的星际物质所连接。
      研究人员认为超大质量黑洞的吸积物质主要来源于伴星系的星际物质。观测结果显示,星系中心向南延伸约30000光年的锥形气体中,电子正被从原子中剥离出来,星系北边距黑洞3000光年的地方存在一个激波。星系北部的气体流动方向与激波相同,南部的则与外流方向相同。这表明黑洞把气体吸积完了之后就会休眠一会,等气体“消化”完之后再重新吸积。
      科学家正在研究的这个特大质量黑洞位于星系SDSS J1354+1327之中,该星系距离地球大约9亿光年。
      科罗拉多大学博得分校的朱莉·科默福德博士及其同事研究工作非常认真,他们使用了来自于如下科研机构的观测数据:美国国家航空航天局(NASA)的钱德拉X射线天文台、NASA与欧洲航天局合作建设的哈勃空间望远镜、美国夏威夷州莫纳克亚山W. M. 凯克天文台、美国新墨西哥州太阳黑子镇美国天体物理研究会阿帕奇波因特天文台。
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    美国夏威夷州莫纳克亚山W. M. 凯克天文台
      钱德拉X射线天文台在星系SDSS J1354+1327中发现了一个明亮的点状X射线源,该射线源就是存在着极端超大质量黑洞的可辨识证据。
      宇宙气体被恒星爆发以及来自星系核心超级黑洞的喷流、巨大引力及磁场力加热到数百万度高温,就会发射出X射线辐射。这些气体的一部分会落入黑洞受到吞噬,一部分又会以高能粒子强力喷流的形式被喷射出来。
      天文学家对钱德拉X射线天文台及哈勃空间望远镜观测得到的图片进行了比较研究,他们认为,正如理论研究预测的那样,该星系内部存在着一个黑洞。X射线观测数据还显示,该特大质量黑洞深陷于浓密的宇宙空间气体之中。 
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    美国新墨西哥州太阳黑子镇美国天体物理研究会阿帕奇波因特天文台
      过去观测工作得到的光学数据显示,特大质量黑洞有可能吞噬着、吸积着巨大数量的空间气体,同时也抛射出高能粒子流。粒子流在被抛射出来之后会失去能量,就好比关了开关的灯泡一样,但过了10万年之后,这些高能粒子流又重新开始辐射能量,就好像是关了的灯又通上电一样。这一过程使得该黑洞就像在遥远星系中摇曳的火焰一样。
      这一证据强烈显示,正在进行吸积的黑洞能够使得它所抛射出来的高能粒子流重复发生辐射及关闭辐射的过程,但是,这一重复过程的时间尺度同宇宙138亿年的岁数相比要短得多。
      “用个拟人的修辞方法来说,就好比,我们观测到的黑洞能够大吃大喝、打个饱嗝、然后睡一会,之后又会再次大吃大喝、打个饱嗝、然后睡一会,这一过程符合科学理论的预测,”科默福德博士说。
      “我们进行观测研究的时机非常幸运,能够在一段时间之内观测发现了其中的两个天文事件。”
      为什么黑洞会多次进行大吃大喝、打个饱嗝、然后睡一会这一过程呢?这个问题的答案是,星系SDSS J1354+1327的北边存在着一个伴星系J1354+1328,这两个星系在发生碰撞的过程中形成了大量恒星及星际气体流,这些恒星及星际气体就是黑洞吃饱了之后打嗝的原因所在。
      科默福德博士及本次研究的共同作者得出结论,伴星系J1354+1328的大量物质会呈涡旋状向星系SDSS J1354+1327移动,这些物质会被位于星系SDSS J1354+1327中央的黑洞吞噬。科默福德博士及其同事利用哈勃空间望远镜、美国新墨西哥州太阳黑子镇美国天体物理研究会阿帕奇波因特天文台的观测数据研究发现,星系SDSS J1354+1327中心向南延伸,存在着一个长度为大约30000光年的锥形气体,这些气体原子的电子已经被电离了出来。
      这种电离作用可能是黑洞附近区域的辐射爆发所导致的,这种电离现象说明黑洞曾经进行过“大吃大喝”现象,也就是对空间物质的高强度吞噬。
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。
      天文学家在星系SDSS J1354+1327的北部大约3000光年的位置发现了一个激波,非常类似于音爆。激波是气体、液体和固体介质中应力(或压强)、密度和温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波,又称冲击波。在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。爆炸时形成的激波又称爆炸波。水管中阀门突然关闭形成的波也是一种激波。在固体介质中,强烈的冲击作用会形成激波,在等离子体中也会形成激波。激波现象的存在说明,不同气体团在被黑洞吞噬之后的大约10万年之后,黑洞才发生了“打嗝”现象,所谓的打嗝也就是黑洞抛射出高能粒子流。
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    这个图片中的星系是一种被称为赛弗特星系的特殊类型活动星系,星系中央有一个黑洞,正在吞噬着物质,并以极高温度及光度释放着光线,它所释放的光线比该星系周围的所有区域都要明亮。
      “这个星系的特殊现象真的是让我们大吃一惊,”本次研究共同作者、科罗拉多大学博得分校博士生丽贝卡·内文说。
      “我们的研究工作显示出,星系SDSS J1354+1327北部的气体流动方向与激波不断前进的边界相同,南部气体的流动方向则与黑洞之前喷射形成的高能粒子流的方向相同。”
      宇宙激波是非常常见的。例如,太阳会爆发日冕物质抛射,将带有磁场的一大团等离子体云从太阳表面抛射出来。这个过程会产生一个压力波。当这个压力波撞上星际空间中的等离子体时,就会产生一个激波。人类发射的旅行者一号探测器发回的磁场数据显示,该探测器经历了三场宇宙激波,其中第三场激波范围非常广远。 
    超大质量黑洞在遥远星系中忽明忽暗反复摇曳
    旅行者一号在太阳系边缘已经经历了3场宇宙激波