几亿年前的黑洞爆发 留下了前所未有的巨大“空洞化石”
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科技日报
日期：2020-03-09
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环球科技网
近期，美国和澳大利亚等多国天文学家联合研究发现，此前在蛇夫座星系团中观测到的巨大、神秘的气体空腔，系该星系团中央巨大黑洞在很久之前的爆发活动所致。也就是说，中央黑洞猛烈释放能量，在其周围“砸”出一个巨大空洞，直径约为150万光年，可以装下15个连成一排的银河系。该研究成果日前发表于《天体物理学》杂志上。
迷雾重重，探究能量源头
研究人员表示，此前也在其他星系团中发现过类似的空洞，如前文提及的英仙座星系团以及长蛇座 A星系团等。但蛇夫座星系团内出现的空洞之大却是前所未见。他们估计，制造该空洞所需的能量可能是此前已知最大同类空洞所需能量的6倍。10亿个太阳发光10亿年所产生的能量也不及引起这次爆炸能量的百分之一。
该空洞究竟是如何形成的？根据此前的研究推断，应该是活动星系核导致。
活动星系核是指一类中央核区活动性很强的系外星系核心，活跃而明亮。通常认为，活动星系核的“发动机”是一个超大质量黑洞。黑洞吸引物质，在其周围形成了一圈不停转动的吸积盘。吸积盘中的物质不断落入黑洞，物质损失的角动量，以能量的形式被黑洞“吐出”，在吸积盘的垂直方向形成高速喷流。
以往的研究中，无论是英仙座还是其他星系团，人们都能观测到正在爆发的中央黑洞。黑洞的喷流就像黑暗中耀眼明亮的一道光束，携带着巨大的能量，可以加热并“驱逐”周围弥散的气体，造成类似的空洞景象。
然而，蛇夫座空洞的能量源头之谜解得却甚是曲折。
“早在2006年，蛇夫座空洞就引起了研究人员的注意。”中国科学院国家天文台研究员陆由俊在接受科技日报记者采访时表示，另一组研究人员当时通过钱德拉太空望远镜提供的X射线数据，发现蛇夫座星系团内有一个“奇怪的曲边”，即空洞的边缘。但令人疑惑的是，蛇夫座星系团中央黑洞十分黯淡沉寂，并没有正在爆发的迹象。另一方面，彼时研究人员认为，制造这一空洞需要的能量太大，因此否认了黑洞爆发导致空洞形成的可能性。
如今，为何又将以黑洞为引擎的活动星系核判为“罪魁祸首”呢？
“此次研究利用的是射电波段数据，研究人员从中发现了高能量的相对论性电子，黑洞喷流能直接地、大规模地产生这些高能量电子。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷告诉科技日报记者，2006年的研究主要依赖于X射线数据，受限于波段区域，无法探测到相对论性电子，只能探测到能量相对较低的电子，这些电子的来源既包括星系团中央黑洞爆发，也包括星系团并合活动等其他天文事件。因此，在当年的研究数据支撑下，蛇夫座空洞形成的能量源头还不甚明朗。
“若此次研究成果据实，谜底的天平会向‘中央黑洞爆发’这一端倾斜。”陈学雷说。
沉寂宁静，等待下一轮回
在陈学雷看来，这也许并非是蛇夫座星系团中央黑洞一次性短暂爆发导致的结果，很可能是经过几千万年甚至几亿年的长时间积累，才呈现出如今所见的庞大空洞。
遗憾的是，蛇夫座星系团的星系核已经变得“懒惰”，中央黑洞也宁静下来，中央核区释放的信号很弱，今后的几代人也许有生之年都无法领略到蛇夫座星系团中央核区的“焰火”之美。
是什么原因让活跃的活动星系核沉寂下来？陈学雷表示，据现有的数据推测，活动星系核活动的时间可能持续几千万到几亿年。星系核活动时需要通过黑洞吸收周围物质产生能量，反过来，黑洞喷流会将周围的物质吹散，久而久之，当黑洞周围的所有物质皆被驱散到远处，黑洞便会“饿死”，活动星系核也会沉寂下来。待经历漫长时间的演变，四散的物质重新被黑洞吸引，便又开启了下一个轮回。
“由此可见，活动星系核爆发之后的沉寂实则是必然，只不过人类几十年前才具备相应的观测手段，在人类活动的时间尺度上难以观测到活动星系核爆发到停止的整个过程。”陈学雷说。
虽然蛇夫座星系团内的星系核不再活跃，但它造成的巨大空洞还未消散，可以帮助我们还原几亿年前的星空历史。而这场远古的爆发所带来的影响，远比我们观测到的空洞表象深远得多。
“活动星系核的爆发能够在一定程度上抑制恒星的形成。”陆由俊指出，恒星的诞生与宇宙中高密度的冷却气体息息相关，而黑洞喷流会将周围的气体加热，一定程度上阻碍了恒星诞生的步伐。这种现象被称为活动星系核反馈效应。
“家族”添丁，更多谜题待解
“此次对蛇夫座星系团的研究，为星系团中活动星系核所致大型空洞现象的‘大家族’扩充了一个案例，对我们研究星系形成过程中的核心环节，即活动星系核反馈效应，提供了帮助。”陆由俊道。
与以往类似事件不同的是，此次研究人员观测到蛇夫座星系团内部存在一个冷核，冷核周围到核心的能量从10keV（千电子伏特）急剧下降到1keV以下，温度也随之出现断崖式下降。而冷核往往会在黑洞爆发时被高温喷流摧毁。
在陆由俊看来，蛇夫座星系团活动星系核爆发之后进入长时间的沉寂，星系团内的气体少有能量注入，才导致了该冷核的形成。“由此可见，此次研究对星系团内部加热、冷却问题的研究也有所裨益，进而对蛇夫座早期的活动星系核反馈过程有所了解。”
星空浩瀚无比，探索永无止境。
陆由俊表示，针对蛇夫座星系团空洞现象，还有一些问题需要深入的研究。比如，要进一步搞清楚蛇夫座星系团中央黑洞的具体大小，进而可估计出该黑洞能否产生足够的能量，形成这一庞大空洞。再者，即便能量充足，被众多星系团团“围困”的喷流能否发射到空洞的位置并依然保存着巨大的能量，这也是需要进一步论证的。
此次研究利用了澳大利亚默奇森宽场阵列和印度的巨米波射电望远镜收集到的射电信息。“随着低频射电望远镜和更多新型观测技术的发展，相信会有越来越多类似的现象被观测到，也会有更奇特的天文景观等待我们去挖掘探索。”陈学雷说。
