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微类星体带来大谜团

宇宙解码  · 公众号  · 科学  · 2017-07-24 17:47

正文

为了揭开隐藏在类星体背后的秘密,天体物理学家正在仔细研究它的微缩对应体——微类星体,但是却发现微类星体带来了更大的谜团。

与普通的观点相反,黑洞是个挑剔的食客。尽管这些重达数十亿太阳质量的巨兽每年可以吞食一个太阳质量的物质,但是它却为类星体提供动力而且会喷出等质量的物质。

数十年来,射电天文学天文学家发现有细长的喷流对从类星体的中心喷出,并且形成巨大的“瓣”(lobe),有点像大象展开的耳朵。虽然已对此进行了深 入的研究,但是,“我们对喷流的认识仍是一无所知,”美国宇航局戈达德航天中心的天体物理学家让·斯万克(Jean  Swank)说。喷流由什么组成,它们形成的原因,是什么使它们保持稳定——这些都是未解之谜。



问题是类星体的喷流变化得很缓慢。尽管有时喷流中个别的小云(blob)似乎会以超光速运动——这是当物体本身具有极高的速度(接近光速)并且朝向地 球运动时所产生的光学错觉,但是喷流的确非常得长。一个单独的瓣就和星系中的旋臂等长。因此,天文学家必须花费数十载来观察类星体喷流的运动和变化。

所以,当法国原子能委员会(CEA)的法利克斯·米勒贝尔(Felix Mirabel)和天文学会的路易斯·罗琴格兹(Luis  Rodriguez)在1994年发现名为GRS  1915+105的黑洞候选体有一对微缩的射电喷流时,他们感到分外地激动。就像庞大的类星体,这个新命名的微类星体偶尔也会发射出以超光速运动的小云。 事实上,这些喷流精巧地复制了秒差距尺度的类星体喷流,但它们却又有一个至关重要的不同之处:这些喷流以分钟作为变化的时标,而不是年。

“微类星体是研究喷流形成的理想实验室,”美国康奈尔大学的天体物理学家史蒂文·艾肯拜瑞(Stephen  Eikenberry)说。它们的出现使天文学家开始大规模的搜寻,以期找到更多的微类星体。从米勒贝尔和罗琴格兹发现微类星体以来,地面和空间的射电、 近红外、光学、X射线和γ射线的联合观测通过探测微类星体的射电喷流已找到了一打目标。

然而,有多少微类星体能反映正常尺度的类星体正在被讨论之中。它们是否真的拥有揭开类星体喷流形成之谜的钥匙?或者仅是表面相似的巧合?回答这些问题 是包括美国宇航局的钱德拉X射线天文台和X射线时变探测器、欧洲空间局的牛顿多镜面X射线望远镜和国际γ射线天体物理实验室在内的新一代空间X射线望远镜 的主要任务之一。

一些天文学家认为外貌上的相似会被证明只是假象。“就目前而言,对微类星体的观测并没有改变我们对类星体的认识,”华盛顿大学的天文学家布鲁斯·马刚 (Bruce  Margon)说。马刚注意到驱动微类星体的黑洞质量大约与恒星相仿;但在“真正”类星体中的黑洞质量是它的十亿倍。他说:“几乎没有物理学家能处理像这 种物理量相差9个数量级的情况。”这两种天体的进食习惯使它们显得与众不同。类星体的黑洞是被隔离的“巨兽”吞食着从周围流入的炽热气体。微类星体中的黑 洞则更有社会属性:每个已知的微类星体都围绕一个巨大的气体伴星旋转,这颗伴星倾倒自身的气体到黑洞中。



无论这些气体的来源是什么,科学家相信当气体靠近黑洞中心时,无论是类星体还是微类星体的,它们都会塌缩成一个绕黑洞旋转的气体盘,有些像绕太阳转动 的行星。但是它们又有不同之处,在所谓的吸积盘中的稠密气体会逐渐损失能量并盘旋着掉入黑洞。这些损失的轨道能量会加热吸积盘,因此气体接近黑洞时它的温 度会升高。当气体即将掉入黑洞时,它的温度会疾升到10亿度并且辐射出大量的X射线。

许多理论家怀疑类星体的喷流是气体与其自身的磁拱互相作用的结果。旋转的吸积盘缠绕起磁拱,就像缠绕玩具飞机内的橡皮筋。当磁拱接近黑洞时,磁场张力 随之增大,将磁拱编进垂直出现在吸积盘上的磁穗(magnetic  braids)中。炽热的辐射气体变会从吸积盘向上涌出,通过磁穗线,就像水通过管道,形成了明亮的、被磁化的喷泉,这就是天文学家所说的喷流。

理论家认为相同的机制可以解释微类星体,但有一个关键的不同之处:类星体的喷流几乎不发生变化很稳定,而微类星体的喷流却时刻在变。例如,在GRS  1915+105中,大约每隔30分钟,在喷流的基部就会产生一个新的射电小云,之后它会加速至超光速并沿着喷流向外部疾驰,然后渐渐消失。在其他的微类 星体中,发自喷流的光会大幅度的波动。通过比较微类星体的射电及X射线观测数据,天文学家发现了证据,超光速的小云和X射线亮度的变化都源自于微类星体在 两个不同状态之间的变动。

“在银河系中源自黑洞吸积盘的X射线存在两种不同的模式,”Anton Pannekoek天文学会(AIAP)的罗勃·范德(Rob  Fender)解释道。在所谓的高/软状态下,吸积盘辐射出明亮的低能“软”X射线。另一方面,当微类星体进入低/硬状态,X射线减弱,但它们的光谱则移 向能量更高的“硬”X射线一端。现在,范德、艾肯拜瑞、米勒贝尔以及他们合作者的独立观测预示GRS  1915+105的超光速小云形成时微类星体正在进行状态改变。而且CEA的天体物理学家尼克·泰戈(Michel  Tagger)认为他可以解释其中的缘由。

一个由泰戈的小组发展并由计算机模拟确认的理论认为,被磁化的吸积盘很自然地会大量产生螺旋波(spiral  wave),有点类似银河系的旋臂。在泰戈的模型中,当螺旋波由磁场的内部朝向黑洞的边缘扫过磁场时,微类星体便处于高/软状态——即所谓的“最深处稳定 轨道”,距黑洞仅100公里。如果再靠近一些,黑洞的引力会强大到使没有东西能维持在其圆周轨道上;被吸积的气体会径直掉入黑洞。







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