幾億年前的黑洞爆發(fā) 留下了前所未有的巨大“空洞化石”
近期，美國和澳大利亞等多國天文學(xué)家聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，此前在蛇夫座星系團(tuán)中觀測到的巨大、神秘的氣體空腔，系該星系團(tuán)中央巨大黑洞在很久之前的爆發(fā)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(gè)巨大空洞，直徑約為150萬光年，可以裝下15個(gè)連成一排的銀河系。該研究成果日前發(fā)表于《天體物理學(xué)》雜志上。
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(tuán)中發(fā)現(xiàn)過類似的空洞，如前文提及的英仙座星系團(tuán)以及長蛇座 A星系團(tuán)等。但蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)出現(xiàn)的空洞之大卻是前所未見。他們估計(jì)，制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(gè)太陽發(fā)光10億年所產(chǎn)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(jù)此前的研究推斷，應(yīng)該是活動星系核導(dǎo)致。
活動星系核是指一類中央核區(qū)活動性很強(qiáng)的系外星系核心，活躍而明亮。通常認(rèn)為，活動星系核的“發(fā)動機(jī)”是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。黑洞吸引物質(zhì)，在其周圍形成了一圈不停轉(zhuǎn)動的吸積盤。吸積盤中的物質(zhì)不斷落入黑洞，物質(zhì)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(tuán)，人們都能觀測到正在爆發(fā)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，可以加熱并“驅(qū)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(xué)院國家天文臺研究員陸由俊在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，另一組研究人員當(dāng)時(shí)通過錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡提供的X射線數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)有一個(gè)“奇怪的曲邊”，即空洞的邊緣。但令人疑惑的是，蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞十分黯淡沉寂，并沒有正在爆發(fā)的跡象。另一方面，彼時(shí)研究人員認(rèn)為，制造這一空洞需要的能量太大，因此否認(rèn)了黑洞爆發(fā)導(dǎo)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?zhǔn)?rdquo;呢？
“此次研究利用的是射電波段數(shù)據(jù)，研究人員從中發(fā)現(xiàn)了高能量的相對論性電子，黑洞噴流能直接地、大規(guī)模地產(chǎn)生這些高能量電子。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷告訴科技日報(bào)記者，2006年的研究主要依賴于X射線數(shù)據(jù)，受限于波段區(qū)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(tuán)中央黑洞爆發(fā)，也包括星系團(tuán)并合活動等其他天文事件。因此，在當(dāng)年的研究數(shù)據(jù)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(jù)實(shí)，謎底的天平會向‘中央黑洞爆發(fā)’這一端傾斜。”陳學(xué)雷說。
沉寂寧靜，等待下一輪回
在陳學(xué)雷看來，這也許并非是蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞一次性短暫爆發(fā)導(dǎo)致的結(jié)果，很可能是經(jīng)過幾千萬年甚至幾億年的長時(shí)間積累，才呈現(xiàn)出如今所見的龐大空洞。
遺憾的是，蛇夫座星系團(tuán)的星系核已經(jīng)變得“懶惰”，中央黑洞也寧靜下來，中央核區(qū)釋放的信號很弱，今后的幾代人也許有生之年都無法領(lǐng)略到蛇夫座星系團(tuán)中央核區(qū)的“焰火”之美。
是什么原因讓活躍的活動星系核沉寂下來？陳學(xué)雷表示，據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)推測，活動星系核活動的時(shí)間可能持續(xù)幾千萬到幾億年。星系核活動時(shí)需要通過黑洞吸收周圍物質(zhì)產(chǎn)生能量，反過來，黑洞噴流會將周圍的物質(zhì)吹散，久而久之，當(dāng)黑洞周圍的所有物質(zhì)皆被驅(qū)散到遠(yuǎn)處，黑洞便會“餓死”，活動星系核也會沉寂下來。待經(jīng)歷漫長時(shí)間的演變，四散的物質(zhì)重新被黑洞吸引，便又開啟了下一個(gè)輪回。
“由此可見，活動星系核爆發(fā)之后的沉寂實(shí)則是必然，只不過人類幾十年前才具備相應(yīng)的觀測手段，在人類活動的時(shí)間尺度上難以觀測到活動星系核爆發(fā)到停止的整個(gè)過程。”陳學(xué)雷說。
雖然蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)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(yuǎn)古的爆發(fā)所帶來的影響，遠(yuǎn)比我們觀測到的空洞表象深遠(yuǎn)得多。
“活動星系核的爆發(fā)能夠在一定程度上抑制恒星的形成。”陸由俊指出，恒星的誕生與宇宙中高密度的冷卻氣體息息相關(guān)，而黑洞噴流會將周圍的氣體加熱，一定程度上阻礙了恒星誕生的步伐。這種現(xiàn)象被稱為活動星系核反饋效應(yīng)。
“家族”添丁，更多謎題待解
“此次對蛇夫座星系團(tuán)的研究，為星系團(tuán)中活動星系核所致大型空洞現(xiàn)象的‘大家族’擴(kuò)充了一個(gè)案例，對我們研究星系形成過程中的核心環(huán)節(jié)，即活動星系核反饋效應(yīng)，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(tuán)內(nèi)部存在一個(gè)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(xiàn)斷崖式下降。而冷核往往會在黑洞爆發(fā)時(shí)被高溫噴流摧毀。
在陸由俊看來，蛇夫座星系團(tuán)活動星系核爆發(fā)之后進(jìn)入長時(shí)間的沉寂，星系團(tuán)內(nèi)的氣體少有能量注入，才導(dǎo)致了該冷核的形成。“由此可見，此次研究對星系團(tuán)內(nèi)部加熱、冷卻問題的研究也有所裨益，進(jìn)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(tuán)空洞現(xiàn)象，還有一些問題需要深入的研究。比如，要進(jìn)一步搞清楚蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞的具體大小，進(jìn)而可估計(jì)出該黑洞能否產(chǎn)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(tuán)團(tuán)“圍困”的噴流能否發(fā)射到空洞的位置并依然保存著巨大的能量，這也是需要進(jìn)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(yuǎn)鏡收集到的射電信息。“隨著低頻射電望遠(yuǎn)鏡和更多新型觀測技術(shù)的發(fā)展，相信會有越來越多類似的現(xiàn)象被觀測到，也會有更奇特的天文景觀等待我們?nèi)ネ诰蛱剿鳌?rdquo;陳學(xué)雷說。
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