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天空中游荡的“死亡之星”:合并中的类星体将照亮宇宙
2022-09-23

这张模拟图显示了一对类星体不断闪烁的明亮光芒。天文学家在近期一项研究中推断出,它们不断闪烁的光线可以说明存在两颗类星体,而非单个天体。

黑洞与类星体还有这关系?科学家追踪93颗,却意外发现秘密!

新浪科技讯 北京时间5月19日消息,据国外媒体报道,数十亿年后,银河系中的“居民”看到的夜空将与我们今天全然不同。两个如满月一般、甚至比满月更亮的天体将会高悬空中,使其它所有星星都黯然失色。这两个炫目的“灯泡”其实是一对类星体,由银河系与附近的仙女座星系相撞形成。

类星体的光芒来自黑洞疯狂吞噬物质的过程中释放出的大量辐射。银河系和仙女座星系中央都有黑洞,如同两名沉睡的巨人。但这种状况只会维持到两个星系相撞之前。等到相撞之时,它们将变得极为致命、也极为炫目。这对类星体释放出的巨量辐射或将使行星表面变成一片不毛之地,将无数地外文明抹除一空。

这样的“死亡之星”听上去好似科幻小说中的场景。但真实的宇宙比小说更离奇。同样的故事其实在很久之前的两对遥远星系中也上演过。这四个星系中央各有一个明亮的类星体,正处于合并过程中。随着两个星系越靠越近,它们的类星体也是如此。而哈勃望远镜成功拍下了这一画面。此次发现为我们提供了一次研究早期宇宙中星系相撞事件的机会。远古类星体在宇宙中非常分散,因此能发现这些类星体对可谓再幸运不过。据天文学家估计,在每一千颗类星体中,只有一颗属于真正的双类星体。

哈勃望远镜发现的这对类星体可追溯至100亿年前。天文学家在使用哈勃望远镜时发现,这对类星体之间的距离如此之近,在地面望远镜拍下的照片中就如同一个星体一般,但哈勃清晰的视野为我们揭露了事情的真相。

这两张由哈勃望远镜拍摄的图片显示了两对100亿年前的类星体,分处四个正在合并的星系中央。然而我们看不见这些星系,因为即便是对哈勃望远镜而言,它们也太过黯淡了。每对类星体之间的距离只有1万光年,是宇宙同一时期的类星体对中,目前观察到的距离最近的两对。

研究人员认为,这两个类星体之所以如此靠近彼此,是因为它们各自所处的星系正在合并之中。不仅如此,该团队在另外两个相撞的星系中,又发现了另一对类星体。

类星体如同星系中央的一座明亮的灯塔,其亮度可以使整个星系都显得黯然无光。它们的能量来自不断吞食物质、释放辐射的超大质量黑洞。这四颗类星体的发现,为我们提供了一条研究早期宇宙中星系碰撞与超大质量黑洞合并的新思路。

类星体分散在宇宙各处,大多数形成于100亿年前。在那段时间里,发生了大量星系合并,为黑洞提供了“食物”。因此天文学家猜想,当时应该形成了许多双类星体。这是星系形成巅峰期的第一个双类星体案例,我们可以利用它来研究超大质量黑洞是如何逐渐靠近、并最终形成双黑洞系统的

研究团队目前正在借助哈勃望远镜、欧空局盖娅太空望远镜、斯隆数字巡天望远镜、以及多台地面望远镜,对早期宇宙中的类星体对开展研究分析,这些观测非常重要,因为类星体在星系相撞中扮演的角色在星系形成过程中起到了举足轻重的作用。当两个距离较近的星系的引力使彼此开始扭曲时,二者之间的相互作用会导致物质流入黑洞中,从而激活各自的类星体。

随着时间的推移,这些高密度“灯泡”释放出的辐射会形成强大的星系风,将正在合并的星系中的大多数气体一扫而空。没有了气体,恒星的形成就会停止,星系也会因此演变成为椭圆星系。天文学家目前已在正在合并中的星系中发现了100多个双类星体,但都没有本次研究中发现的两个双类星体这么古老。

哈勃望远镜拍摄的图像显示,每对类星体之间的距离仅为1万光年左右。相比之下,太阳距银河系中央的超大质量黑洞足有2.6万光年之遥。这两对类星体所在的星系迟早会两两合并,类星体也会合二为一,形成一个质量更大的黑洞。找到它们并不容易。哈勃是唯一一台目光足够尖锐、能够看到早期宇宙并将两颗遥远类星体区分开的望远镜。然而,仅凭哈勃望远镜的高分辨率,还不足以发现这些双类星体。

这张艺术概念图显示了两个正在合并的星系中央的类星体发出的明亮光线。在两个星系的引力拉扯下,恒星的形成发生了爆发性增长。类星体如同遥远星系中央的明亮灯塔,由超大质量黑洞吞噬物质形成。黑洞在吞噬物质过程中会释放出大量辐射,使星系中成百上千亿颗恒星的光芒都显得黯然无光。再过几千万年,这两个黑洞和它们所在的星系便会合并,这对类星体也会合二为一,形成一个质量更大的黑洞。再过几十亿年,同样的故事也会发生在我们的银河系与附近的仙女座星系身上。

天文学家首先要决定将哈勃望远镜对准哪里。问题在于,太空中形成于100亿年前左右的远古类星体太过分散,其中只有极少数为双类星体。在盖娅探测卫星和斯隆数字巡天地面望远镜的帮助下,研究人员采用了一种极富想象力和创新性的技术,为哈勃望远镜选出了一系列潜在的观测对象。

斯隆望远镜位于美国新墨西哥州的阿帕契点天文台,可以生成天空中各天体的三维分布图。该研究团队对斯隆望远镜采集的数据进行了细细梳理,确定了值得进一步研究的类星体。

接下来,研究人员又借助盖娅望远镜,确定了可能的双类星体“候选人”。盖娅望远镜可以精确测定附近天体的位置、距离及运动情况。但该团队又为盖娅望远镜设计了一种新用途,可以对遥远的宇宙展开探索。他们利用盖娅望远镜的数据库,寻找与附近恒星的视运动相似的类星体。这些类星体在盖娅望远镜的数据中呈现为单个天体。然而,盖娅望远镜可以察觉到,部分类星体的视位置似乎在隐隐约约地“摇摆”。

类星体在太空中的位置变化小到无法测出,这种摇摆其实是由于光线的随机波动引起的,因为一对类星体中、二者的亮度会不断变化。类星体的亮度变化以天、甚至月为单位,具体取决于黑洞吞噬物质的时间长短。

类星体对的亮度变化类似于从远处看到的铁路道口信号灯。当两盏灯交替闪烁时,就会给人造成灯光在左右“摇摆”的错觉。当哈勃观察到最开始的四颗类星体时,它的高分辨率很快显示出,它们其实是两对相距很近的类星体。研究人员表示,这是一个激动人心的时刻,证明他们利用斯隆、盖娅和哈勃望远镜搜索远古双类星体的策略选对了。

这是一个“意外之喜”。很长时间以来,研究人员一直在利用地面望远镜和各种技术寻找离地球较近的双类星体。此次采用的新技术不仅发现了距地球远得多的双类星体,效率也比我们之前采用的方法高得多。

研究团队还利用美国国家科学基金会的双子望远镜开展了后续观测。双子望远镜的空间分辨光谱分析法可以避免无关的恒星-类星体系统偶尔重叠造成的影响,即前景中的恒星凑巧与背景中的类星体排在了一条直线上。

尽管该团队对自己的研究结果很有信心,但他们也表示,哈勃望远镜拍摄的有可能是同一个类星体的两张照片,由于引力透镜现象造成了有两个类星体的错觉。引力透镜现象是指,前方巨大星系的引力导致后方类星体发出的光线发生了分离和增强,形成了两个镜像。但研究人员认为这种可能性微乎其微,因为哈勃望远镜并未在这两对类星体前方发现任何星系。

星系的合并在数百亿年前更加常见,但如今也有少数正在发生。例如地球不远处的NGC 6240系统,其中包含两个、甚至可能三个超大质量黑洞。再过几十亿年,我们的银河系也将与附近的仙女座星系相撞,届时也可能导致物质进入两个星系中央的超大质量黑洞,使其形成类星体。

未来的望远镜或许能提供更多有关这类合并星系系统的信息。NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜(计划于今年发射)将对这些类星体所在的星系展开调查,为我们揭露星系合并的一系列特征,比如恒星光线的分布情况、以及气体从星系中抽离时形成的长长气流。