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中国航天日

由超大质量黑洞驱动的类星体出乎意料地消失，科学家们已经开始寻找原因。斯蒂芬妮·拉玛萨（Stephanie LaMassa）在看过电脑上的两张图片后恍然大悟，这两张图片虽然看上去不同，但描述的是同一个物体。第一张图片由2000年斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)拍摄，图片中的物体很像典型的类星体：极其明亮而遥远的天体，由银河系中心超大质量黑洞提供动力。它是蓝色的，并且有着宽阔的光峰。但在2010年测量的第二幅图像中，它的亮度仅为原来的十分之一，没有出现同样的峰值。

博科园-科学科普：类星体似乎消失了，只留下了另一个星系，尽管类星体消失，转变为星系，但这个过程需要1万年甚至更长时间。然而这类星体似乎在不到10年的时间里就消失了——这只是宇宙一眨眼的功夫。在太空望远镜科学研究所工作的天文学家拉玛萨现在感到很困惑。在2014年之前，她和其他许多人一样，都预计类星体将相对停滞不前。然后你将看见人一生中发生的巨大变化，这很酷。尽管已经发现了类星体暗淡的例子，但天文学家们想知道，像拉玛萨发现的剧烈变化是否已经普遍存在。检验其真实性并不是一项简单的任务，调查一但深入就不会回头观看之前观察到的物体。

旋转进入超大质量黑洞的热吸积盘延伸了数万亿公里，它怎么突然停下了呢？图片：Jessica Rossier for Quanta Magazine

天文学家们通过归档数据进行了搜索，发现了50到100个不断变化的类星体。其中一些类星体比拉玛萨的发现黯淡了很多，还有一些在一两个月的时间里就发生了转变，其他一些类星体在消失后又重新出现。伊利诺伊大学(University of Illinois)天文学家埃里克·摩根森(Eric Morganson)说：很明显，我们以前没有发现这些物体的原因是我们没有寻找过它们。但是，如此巨大的天体——由太阳系的气体和尘埃涡旋旋成数百万太阳质量的黑洞而产生的超亮灯塔，怎么会如此迅速地消失呢？

起初天文学家拒绝相信它们是类星体，而认为它们是伪装成类星体的超新星和耀斑恒星，又或是尘埃星云暂时挡住了视线。然而，这些想法在很大程度上未能符合天文学家的观测结果。过去的一年里，天文学家更加仔细地观察了这些系统，发现了一些细节，表明了吸积盘（环绕黑洞的热物质漩涡）赋予了这些物体耀眼的亮度，亮度会忽明忽暗。

1、黑洞二重身

在过去的四年里，天文学家们一直试图用最简单的理论来理解不断变化的类星体。首先，这意味着要找到不需要对吸积盘进行全面更改的场景。为了了解原因，考虑系统的大小大有益处。如果能把类星体放置到太阳系的顶部，超大质量黑洞就会吞噬太阳，而吸积盘也会延伸数万倍。要想让类星体消失，所有这些物质都必须向内旋转并落入黑洞。计算甚至观察都表明，这一过程需要花数万至数十万年的时间。哈佛-史密森天体物理学中心的天体物理学家保罗·格林说：吸积盘不可能像我们看到的那样迅速消失。如果真是那样，物理学就真的没有意义。

所以天文学家考虑了其他可能性，2014年当拉玛萨第一次发现惊人的现象时，她推测，这颗明亮的类星体被一团巨大的尘埃云挡住光线。但是当她和同事们试图模拟这个场景时，只有一个过于复杂的多云环境才能重现这一观测结果。除此之外，任何改变都需要比几年更长的时间。其他一些人认为这些物体或许根本就不是类星体。2015年德国马普外层空间物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)的安德里亚·梅洛尼(Andrea Merloni)提出：或许拉玛萨观测的天体实际上是一颗恒星，由于它距离黑洞过近，被黑洞撕裂而后形成了一束明亮的耀斑。同样也有人认为所谓的类星体实际上是强大的超新星。

斯蒂芬妮·拉玛萨(Stephanie LaMassa)是一名天文学家，现在就职于太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)。从那以后，天文学家又发现了几十个这样的天体。图片：Joe DePasquale

这两种猜测的物体都很像类星体，而且都比它们的寄主星系更亮，甚至可能发出类似波长的光。然而这些物体的光线会在几个月到几年的时间里逐渐减弱，从而与变化的类星体背后的时间尺度相匹配。但问题是，光线也会随着一个特殊的特征而减弱，这是天文学家没有了解到的部分。所以研究人员最近又转向研究类星体，并且得到一些新研究的帮助，这些研究已经探索了物体本身的旋转圆盘。2017年中国科学技术大学的天文学家盛振峰和同事们在可见光和红外光下观察了多个变化的类星体。

这些波长使研究小组不仅可以看到每一个类星体的吸积盘，还可以看到它的环面——包裹在吸积盘周围的环状尘埃云。吸积盘向黑暗的环面发出可见光，在那里它被吸收并以红外光的形式重新发射。因此任何在吸积盘上发生的改变将会在环面内回显。与其他研究一样，盛和同事也看到了这一现象，从而得出这样的结论：这是流经吸积盘的物质量变化的标志。这种大范围的变化如何发生仍颇有争议，但最近出现了许多假说。

2、吃自助餐与换形

它可能是一个不需要完全清除板块才能消失的类星体。理解这点要将吸积盘分解成单独部分:明亮的内部区域照亮了暗淡的外部区域。如果黑洞吞噬了内部区域(这一过程可能在几个月内发生)，内部盘就会消失，如果没有明亮的灯塔，外部盘就会变暗，这就好比太阳的死亡导致月球失去光芒一样。将它们与自助餐的人类比，如果面前有无限多的食物，它们就会以最快的速度进食，然后保持相对稳定。但发现当食物还在的时候，它们只是在休息。或许吸积盘改变了它的形状，这听起来很疯狂，但今年对两个不同类星体的研究发现了这一理论的证据。

紫外线和蓝色首先消失，然后是绿色，最后是红色。这个序列从能量最高的颜色流向能量最低的颜色。因此它类似于从内部磁盘到外部磁盘的波动变化。美国自然历史博物馆(American Museum of Natural History)的天体物理学家巴里•麦克南(Barry McKernan)表示：某种东西正在导致吸积盘从里到外逐渐变暗。因为颜色并没有完全消失，研究人员并不怀疑内部吸积盘被黑洞完全吞噬。相反，他们认为一个冷却锋以惊人的速度从超大质量黑洞中冲了出来。这种速度很重要，因为它可以揭示关于圆盘结构的线索。

一颗外观变化的类星体在短短几年内就从明亮变为暗淡。图片：Michael S. Helfenbein/Yale University

如果磁盘是粘性和湍流的，那么通过它发送信息相当容易。因此当冷锋经过时，磁盘必须是粘性的，吸积盘也就膨胀成甜甜圈一般，而不是一张DVD——最后才会坍塌成一个薄磁盘。但另一种假设则恰恰相反:吸积盘在膨胀之前开始变薄。当超大质量黑洞的低质量分身变得不活跃时，当它们在黑洞上吸积大量物质时，它们的吸积盘就会非常薄而且发光。但当吸积速率降低时，圆盘就会膨胀成一个准球形结构，难以发出光线。

日本东北大学的野田博文和英国杜伦大学的克里斯想知道这种膨胀是否会导致类星体的改变。所以今年将恒星质量黑洞周围吸积盘的模型应用到超大质量黑洞周围。研究人员发现这种变化可能发生在类星体的吸积盘上，而且速度很快(虽然没有几十年那么快)。天文学家还不能说这个超大质量黑洞是否已经被饿死，是否圆盘本身已经变形（不是膨胀就是塌陷）或者由完全不同的机制造成。目前还不清楚吸积盘中的气体是如何从一个大半径的轨道流向黑洞附近的轨道，以及它如何最终落入黑洞。耶鲁大学天体物理学家梅格·厄里说：而其他因素，比如磁场可能在天文学家还不了解的情况下起着关键作用，这是我们想象力的失败。

3、“谋杀-自杀协定”

尽管细节尚不清楚，但对气体和尘埃如何流入黑洞的更好理解，将不仅仅是为了满足我们的好奇心，它将有助于解释星系如何进化。近20年前天文学家发现超大质量黑洞的质量与整个星系的质量密切相关。事实上，黑洞截断了星系的增长，使其比模拟预测的要小10到100倍。麦吉尔大学的天体物理学家约翰·鲁安（John Ruan）说：与整个星系相比，黑洞的引力圈很小，那么为什么两者之间有着如此密切的联系呢？当首次发现两者有关联时，问题的答案仍是个谜，但天文学家现在怀疑类星体可能会对它们的宿主星系造成严重破坏，而且其影响非常深远。

类星体的强烈风将尘埃和气体吹出星系，它的极端光度将剩余的气体加热到新恒星无法形成的高温。德雷塞尔大学(Drexel University)的物理学家戈登•理查兹(Gordon Richards)表示：它实际上是在“谋杀-自杀协定”中，让自己和宿主星系都无法生存。由于天文学家无法同时观测到一个遥远的类星体和它的星系，因此很难确定其细节。然而如果天文学家能够进行宇宙实验，他们将研究类星体，然后关闭开关，使其变暗。改变类星体的外观实验提供了一个前所未有的机会来更好地了解类星体的深远影响。

但是要真正把握两者之间的关系，天文学家还需要一个更大的不断变化的类星体样本。为了找到它们，必须一次又一次地返回到相同的类星体和星系去发现任何变化。从2017年开始，位于加州的Zwicky Transient就已经开始绘制天空的地图了，大约每年回到同一个物体300次。另外，更多的设施也将不断出现。例如计划于2022年投入使用的大型天气观测望远镜将每晚以五种颜色绘制整个天空。将拍摄一部关于整个天空的彩色电影，它将会发现数以百万计的奇妙物体。

麦克南对未来的发展方向持保留态度。在乐观的时刻，他希望调查能帮助天文学家抓住机会，如果我们在正确的时间、地点，能够捕捉到其中一件正在发生的事情，并使用多种仪器进行跟踪，我们可能会取得突破。尽管那仍然需要一点运气，但这样的观察甚至可能有助于描述未来的银河系。毕竟在大约50亿年的时间里，我们的星系和仙女座星系将发生碰撞，这可能会引发另一个类星体，并使我们的夜空陷入混乱。对这些细节更清晰的预见可能来自于对类星体神秘的消失行为更好的理解。