前段時間，歐洲南方天文臺和智利千禧天體物理研究所的天文學(xué)家報道稱，人類可能首次觀測到星系中心超大質(zhì)量黑洞的蘇醒過程。
這個超大質(zhì)量黑洞位于處女座上一個橢圓星系（SDSS 1335+0728）的中心，距離地球3億光年，質(zhì)量相當于100萬個太陽。在此前幾十年的觀測中，它一直處于平靜的休眠狀態(tài)。從2019年12月開始，它變得異常活躍，并持續(xù)到現(xiàn)在。該發(fā)現(xiàn)以“SDSS 1335+0728：一個百萬倍黑洞質(zhì)量的蘇醒”為題，刊登在《天文與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）科學(xué)雜志上。
黑洞是什么？
黑洞是宇宙中極端引力的產(chǎn)物。?有質(zhì)量的物體普遍對外界存在著一種吸引力量，即萬有引力。質(zhì)量大的天體通過自身強大的引力，可以將周圍的物體束縛在其附近，物體若要逃脫該天體的引力束縛，需要具備更快的速度。例如，在地球表面發(fā)射一枚火箭，當火箭速度超過每秒11.2千米，就可以擺脫地球引力束縛進入太空。天體對周圍產(chǎn)生的引力越強，要離開它所需要的速度就越快。
如果一個天體的引力足夠強大，以至于連宇宙中運動速度最快的光都無法從中逃離出來，它就會被稱為黑洞。
要產(chǎn)生這樣強的引力效應(yīng)，需要質(zhì)量很大而半徑很小的天體。在我們的宇宙中，一些大質(zhì)量的恒星經(jīng)過演化，最后會坍縮成一個黑洞，這種黑洞的質(zhì)量通常是太陽質(zhì)量的幾倍到幾十倍，而在星系的中心，通常還存在著一個百萬到百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這次，天文學(xué)家研究的就是在一個星系中心的超大質(zhì)量黑洞。
既然黑洞里的光無法逃逸出來，那么我們怎么知道它的存在呢？確實，我們無法直接看到黑洞自身，但黑洞對外界產(chǎn)生的強大引力卻會暴露它的存在。通過跟蹤黑洞對外界產(chǎn)生的影響，可以捕獲到黑洞的蹤跡。例如，一項獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)成果，就是因為監(jiān)測到銀河系核心區(qū)域的許多恒星都在圍繞中心一個位置繞轉(zhuǎn)，并由此推算出那里應(yīng)該存在一個質(zhì)量很大的黑洞。
銀河系核心區(qū)域的恒星圍繞著中心一點繞轉(zhuǎn)。
黑洞的“休眠”與“活躍”
這種圍繞大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星，如果沒有受到其他干擾，它的角動量通常不會損失。物體繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生向外的離心力，抵抗了黑洞向內(nèi)的引力，從而達到平衡，物體就不會掉入黑洞。這與月球重復(fù)繞地球旋轉(zhuǎn)而不會掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質(zhì)保持“相安無事”，黑洞周圍是一片平靜的狀態(tài)，從觀測者視角看，此時的黑洞像是處在休眠狀態(tài)。
當星系核區(qū)的物質(zhì)受到某種干擾損失了角動量，由于向外的離心力減小，無法抵抗黑洞向內(nèi)的引力，物質(zhì)就會落入黑洞。在下落過程中，這些物質(zhì)會形成一個盤狀結(jié)構(gòu)，盤中的物質(zhì)一邊繞黑洞快速旋轉(zhuǎn)，一邊逐步落入黑洞中，這個過程被稱為“吸積”。
物質(zhì)掉落黑洞的過程，會釋放巨大的引力能，并最終通過各種能量形式輻射到宇宙空間。這個過程所輻射的巨大能量，甚至可以超過整個星系所有恒星輻射的總和，使得星系核心非常明亮。此時的黑洞，正處在吞噬周圍物質(zhì)的活躍狀態(tài)。
目前，“休眠”和“活躍”這兩種狀態(tài)的黑洞，都已被大量觀測到。但是，這兩種狀態(tài)的切換過程還沒有被明確觀測到。
星系SDSS 1335+0728新發(fā)現(xiàn)
2019年12月，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)星系SDSS 1335+0728的中心區(qū)域非常明亮。起初，他們以為那只是一個普通的處于活躍狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞的吸積現(xiàn)象，然而，回顧過去20年的觀測數(shù)據(jù)，都沒有發(fā)現(xiàn)它活躍的跡象，也就是說，這個超大質(zhì)量黑洞過往一直是“休眠”狀態(tài)，直到近些年才開始“活躍”。
從2019年之后，星系SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征，產(chǎn)生很強的高能X射線、紫外線輻射，以及很強的紅外波段的輻射。對于這一不同尋常的現(xiàn)象，天文學(xué)家試圖給出合理的解釋，目前可能性較大的解釋有以下兩種。
1. 對恒星的吞噬
當一顆恒星運行到距離星系中心黑洞過近的位置時，會被黑洞的強大引力撕裂，拉伸成細長的“面條”結(jié)構(gòu)，并逐漸掉落到黑洞中。這個過程通常伴隨著短暫的能量釋放，使得原本沉寂的星系中心會由此突然變亮，這種天文現(xiàn)象通常被稱為“潮汐瓦解事件（TDE）”，之所以這樣命名，是因為這一過程的原理類似于我們地球上海水的潮汐現(xiàn)象。
我們知道，引力的大小隨著距離的增大而減小，地球上不同位置的海水到月球的距離不同，距離月球較近的海水受到的引力較大，而距離月球較遠的海水受到的引力較小。這種引力差，導(dǎo)致整個海洋產(chǎn)生形變，引發(fā)海水漲落，從而出現(xiàn)我們所看到的潮汐現(xiàn)象。
同樣地，黑洞附近的恒星，其不同位置受到的黑洞引力大小也不相同。恒星距離黑洞越近，這種引力差就越明顯。當恒星過于靠近黑洞時，強大的引力差可以超過恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開來，被撕裂的恒星物質(zhì)逐步落入黑洞，并發(fā)出強烈的輻射。若在此時進行觀測，會發(fā)現(xiàn)星系中心突出變亮。
近些年，潮汐瓦解事件（TDE）已經(jīng)在天文觀測中被多次發(fā)現(xiàn)。那么，此次星系核心的異常變亮現(xiàn)象，能否用“潮汐瓦解”來解釋呢？
天文學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)，它在幾個方面并不符合一個典型的潮汐瓦解事件（TDE）特征。比如，潮汐瓦解事件（TDE）產(chǎn)生的亮度變化一般只持續(xù)幾十天，最多幾百天。而這次的星系核心區(qū)域直到現(xiàn)在還在變亮，距離第一次發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超過4年了。
當然，由于目前人們對潮汐瓦解事件（TDE）的了解還不夠清楚，我們還不能完全排除這一可能性。也許，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件（TDE）。例如，被黑洞撕裂的不是一顆恒星，而是附近一個較小的衛(wèi)星星系。如果這確實是一次潮汐瓦解事件（TDE），那么它會是人類所知的持續(xù)時間最長、亮度最微弱的“潮汐瓦解”。
2. 黑洞在蘇醒
本次觀測到的星系SDSS 1335+0728特性，和其他正處在活躍狀態(tài)的星系核并無太大差異。加利福尼亞理工學(xué)院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測，或許這個星系沒有什么特殊性，我們只是恰巧捕捉到了一個特別時刻。
宇宙中星系的中心通常都存在著一個超大質(zhì)量的黑洞。通過觀測發(fā)現(xiàn)，有些星系中心的黑洞處于平靜狀態(tài)，有些則處于活躍狀態(tài)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，活躍狀態(tài)的黑洞數(shù)量遠少于平靜狀態(tài)的黑洞數(shù)量，這意味著黑洞處于活躍狀態(tài)的時間只占少部分。
如果把星系中心的超大質(zhì)量黑洞比作一只巨獸，那么這只巨獸在大部分時間里處于沒有食物可吃的休眠狀態(tài)，只有少部分時間處于捕食進餐的活躍階段，當食物被吃光消化后，它會再次恢復(fù)到平靜狀態(tài)。
如果星系中心的黑洞都要經(jīng)歷一次或多次從平靜狀態(tài)進入活躍狀態(tài)、再回到平靜狀態(tài)的周期轉(zhuǎn)換，那么這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，為什么沒有被人們廣泛觀測到呢？這是因為黑洞某個狀態(tài)所持續(xù)的時間（典型時標在百萬年）相對于人類有限的現(xiàn)代天文觀測歷史（不足百年）來說是非常漫長的。或者說，人類目前的觀測只能目睹整個黑洞演化歷程中某個短暫的瞬間。
只有當這個瞬間恰好對應(yīng)于黑洞從休眠狀態(tài)剛剛向活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻，我們才有機會目睹黑洞的“蘇醒”。如果在這個時間節(jié)點附近觀測，就既可以覆蓋到黑洞的休眠階段，又能覆蓋到黑洞的活躍階段，而這樣的關(guān)鍵時刻自然是不易碰到的，這或許就是黑洞之前一直沒有被人們看到的原因。
結(jié)語
現(xiàn)在，天文學(xué)家依然在持續(xù)關(guān)注這個超大質(zhì)量黑洞，準備利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡對它進行更深入的后續(xù)觀測和研究，以徹底弄清它異?；钴S的原因。這將有助于我們預(yù)測這個黑洞未來是重歸平靜還是繼續(xù)活躍，并加深我們對星系中心超大質(zhì)量黑洞生長、演化過程的認識。
來源：科普中國
