科學家揭曉距地球130億光年超大質(zhì)量黑洞“變大”成因

每個星系的中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞，它是保持周圍恒星、行星、氣體以及塵埃凝聚在一起的怪獸。從天文學家開始認真研究它們以來的幾十年中，我們已經(jīng)證實了這些天體確實存在于宇宙中。

我們也已知道它們是恒星形成不可或缺的一部分;而且我們還開發(fā)了一種能直接對它們成像的技術(shù)。但是，讓天文學家們始終感到困惑的是：這些野獸是如何變得如此龐大，又如何能夠如此迅速地生長的？

答案的關(guān)鍵可能在于天體射流--超大質(zhì)量黑洞有時會散發(fā)出充滿能量的粒子或爆發(fā)出輻射。我們不知道這些黑洞為什么這么做，但是來自同一國際天文學家團隊的兩項新的破紀錄研究表明，無論原因如何，這些噴射流都可能有助于超大質(zhì)量黑洞快速生長。

《天體物理學雜志》報道的第一項發(fā)現(xiàn)是一個距地球130億光年的、質(zhì)量為太陽300倍的超大質(zhì)量黑洞。天文學家使用智利拉斯坎帕納斯天文臺麥哲倫望遠鏡的紅外觀測，確認了它是2015年首次發(fā)現(xiàn)的噴射流的源頭。這個超大質(zhì)量黑洞是有史以來檢測到的最遙遠（即最古老）的能產(chǎn)生噴射流的黑洞。

第二項發(fā)現(xiàn)即將在《天體物理學雜志》上的預印本研究報告中發(fā)表，該研究顯示，天文學家們于2018年首次從一個超大質(zhì)量黑洞中探索到天體物理噴射流，該黑洞距離地球有127億光年，比太陽重十億倍。該團隊使用了NASA的錢德勒X射線天文臺進行觀測，并從宇宙中高熱量的物體中尋找X射線輻射。據(jù)悉，這是人類有史以來在X射線中觀察到的最遙遠的天體物理噴射流。

概括來說，每組發(fā)現(xiàn)都打破了一些深奧的天文學記錄，但這并不是它們?yōu)槭裁慈绱酥匾脑颉＿@兩項發(fā)現(xiàn)均有助于解釋為什么超大質(zhì)量黑洞即使不斷釋放高能物質(zhì)也能夠如此迅速地生長?？梢哉f，天文學家團隊的發(fā)現(xiàn)首次證明了此類噴射流實際上是在激勵黑洞的快速進給。

在麥哲倫確認黑洞的存在之后，研究小組在第一次調(diào)查中使用了其他儀器（例如智利的甚大望遠鏡）來識別黑洞及其射流的其他特性比如質(zhì)量。

還有一些數(shù)據(jù)顯示了噴射流如何激勵黑洞的供給，事實上黑洞的強大引力會將大量的氣體和塵埃拉入其事件視界（無法返回的點）。由于該物質(zhì)具有角動量，這意味著它并不只是直接進入，而是會繞事件視界的軌道旋轉(zhuǎn)。同時，該區(qū)域中的輻射壓力（由軌道內(nèi)物質(zhì)自身的摩擦和壓力所產(chǎn)生，該物質(zhì)會加熱自身直至發(fā)光）會將氣體推離事件視界。

這是一個復雜的過程， 但是從本質(zhì)上講，高能粒子的噴射流束隨著氣體向外移動而抵消了氣體的角動量。而且，與輻射壓力能向各個方向發(fā)光并向外輻射的特性不同，這種噴射流很窄，因此它幾乎無法與較遠的不密集氣體層相互作用并對其產(chǎn)生影響。這些噴射流通過使氣體失去角動量、且?guī)缀醪贿M行推回的方式，讓事件視界周圍的許多氣體直接落入其中。

通過這種方式，噴射流可以確保黑洞不會主動對其自身起作用—從而能夠繼續(xù)進行供給，美國宇航局天文學家，兩篇論文的合著者托馬斯·康納說，盡管科學家們認為這些噴射流可能在鼓勵黑洞供給的過程中發(fā)揮了作用，但直到現(xiàn)在我們還沒有看到真正能令人信服的證據(jù)。

X射線研究為這個想法提供了證據(jù)。這些觀察結(jié)果表明，這個噴射流距離其源頭已經(jīng)行進了15萬光年，這使得它成為我們對遠距離噴射流首次進行的X射線觀察：以往所觀察到的噴射流只有幾千光年。

康納說：“這種大規(guī)模的X射線檢測意味著這些噴射流已經(jīng)行進了非常久?！边@不是一種短暫現(xiàn)象，而是一種可以維持數(shù)十萬年的常態(tài)，這足以幫助一個超大質(zhì)量的黑洞供給自己以非常迅速地生長。他說：“我們現(xiàn)在知道這是一個長期的過程，這就是這些噴射流如何能夠幫助這些超大質(zhì)量黑洞形成的方式 ......”

兩項研究都為后續(xù)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，它們可以幫助我們更多地了解超大質(zhì)量黑洞是如何演化并幫助塑造早期宇宙的?，F(xiàn)在，我們對于如何能夠?qū)ふ胰绱斯爬系暮诙从辛烁玫南敕?，并且更深切地感受到了更多的X射線觀察對于學習噴射流補給動力的工作原理是至關(guān)重要的。

對于康納來說，這些額外的觀察將是關(guān)鍵。在重大發(fā)現(xiàn)后， 他感到非常鼓舞。他說：“希望這項發(fā)現(xiàn)能夠指出宇宙中還有很多這樣的物體存在，希望我們能盡快再次打破研究記錄。”