超大质量黑洞有时会疯狂进食——它们知道何时是晚餐时间

它们被称为“超大质量”是有原因的。
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黑洞的揭秘。美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室

大多数星系的中心都潜藏着一个超大质量的黑洞,其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。但究竟是什么让这些黑洞拥有超大质量,仍然是一个巨大的谜团。这些庞大的宇宙巨兽并非凭空出现——它们需要一些时间来积聚如此巨大的质量。但它们也不是永不停止的进食机器:就像冬眠的动物一样,它们在休眠和活跃之间来回切换,原因不明。

最近发表在《自然天文学》杂志上的一项研究表明,触发它们进食时机的原因可能比我们想象的要复杂得多。一个国际研究团队刚刚观察到一个超大质量黑洞进入了一个长期的生长状态,其方式完全出乎意料,这不仅揭示了黑洞如何能长到巨大质量的比例,也凸显了我们对宇宙中心发生的事件了解甚少。

我们所能观测到的所有超大质量黑洞中,大约有10%在任何给定时间似乎都在活跃地吸积物质——吞噬周围的宇宙气体。“这些吸积事件应该会持续数万年至数千万年,”这项新研究的主要作者、特拉维夫大学的天文学家Benny Trakhtenbrot说。之前的模型认为,超大质量黑洞要想进入如此长时间的“喂食狂潮”,宿主星系必须向其中心(黑洞所在的位置)输送一些冷气体,从而引发稳定的吸积流的形成。

然而,很多时候,进食期是短暂的。近年来,“潮汐瓦解事件”受到了广泛关注,在这种事件中,不幸靠近的恒星会被撕裂并吞噬。“在这种‘潮汐瓦解事件’中,从恒星上剥离的物质可能会形成一个短暂的吸积流,”Trakhtenbrot说。吸积会迅速增强,但一旦恒星气体被完全消耗或消散,它也会随之结束。

“我们所看到的,”Trakhtenbrot说,“与这两种情况都不同,”它兼具了吞噬恒星的零食和明显的贪婪盛宴的特征。

这项新发现围绕着一个名为AT 2017bgt的事件展开,这是2017年2月由全天自动超新星巡天(ASAS-SN)观测到的一个奇怪现象,其望远镜遍布世界各地。天文学家最初认为,发生在近8亿光年外一对重叠星系中的这一事件是一次潮汐瓦解,因为它释放出强烈的辐射,使该区域的亮度比2004年高出50多倍。

但Trakhtenbrot和他的同事们很快意识到,还有别的情况在起作用。强化的吸积持续了两年多,并且仍在持续,尽管潮汐瓦解事件结束得要快得多。一年多的观测时间,使用了30多个地面和空间望远镜,显示AT 2017bgt正在发射额外的、高速的紫外线辐射成分,一种所谓的“鲍恩荧光”特征,这在超大质量黑洞吸积中是前所未见的。

最终,这些发现既引人注目又扑朔迷离。AT 2017bgt是一个进入长期吸积状态的黑洞,但其过程让人联想到潮汐瓦解事件,尽管没有迹象表明有恒星被撕裂并成为晚餐。这是超大质量黑洞为迎接一场漫长的盛宴而做的全新准备方式。

此外,研究人员怀疑这一过程“可能并不像人们想象的那么罕见,”Trakhtenbrot说。“我们发现了几个表现出相同行为的其他源。可能还有更多类似的事件被忽略和/或误分类了。”

这些发现都不是决定性的。三个类似的事件样本量很小,而这种黑洞吸积的图景仍然非常初步。Trakhtenbrot强调需要进行一系列后续研究,以更可靠地证实其他超大质量黑洞也表现出这种行为,并建立一个更长的时间线来了解这一过程的开始和结束。

尽管如此,Trakhtenbrot认为,如果一切都能经受住检验,这一新模型就可以解释大爆炸后最初十亿年内超大质量黑洞的起源。“我们还没有达到那个阶段,”他说,“但每一次事件——尤其是那些更神秘的事件——都让我们离这些更宏大的目标更近了一步。”了解我们银河系中心的超大质量黑洞何时决定苏醒并开启另一轮长达百万年的进食周期,将非常有用。

 

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