黑洞的軌道上有個甜甜圈？射電天文學為我們揭開射電星系的神秘面紗

大小不一的“瓣”，閃爍的“嬰兒”，射電星系中正在發生什么？

（圖片來源：海洛創意-Shutterstock[1]）

本文最早在解釋型新聞網（The Conversation）[2]上發布，隨后站方將這篇文章投稿至Space.com的“專家之聲：評論和見解”（Expert Voices: Op-Ed & Insights）一欄。

凱瑟琳·羅斯（Kathryn Ross），博士，科廷大學。

娜塔莎·赫爾利·沃克（Natasha Hurley-Walker），射電天文學家，科廷大學。

我們已經從深空的射電圖像中找到了數百個正處于嬰兒時期的超大質量黑洞，星系中的光線在它們周圍發生了讓人難以置信的扭曲。

星系是巨大的宇宙天體，由氣體、塵埃和恒星組成（就像我們的太陽），它們的大小通常能達到幾千甚至幾萬光年。

在知道這些星系的大小的情況下，你也許會認為它們發出的光線會緩慢而穩定地變化，其時間尺度將遠長于一個普通人類的壽命。

但是我們發表在《皇家天文學會月刊》[4]（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上的研究發現，有些星系中光線變化的速度非?？?，只需要幾年時間，而且這類星系的數量之多遠超我們的想象。

什么是射電星系？

天文學家認為，大多數星系的中心都有一個超大質量的黑洞。其中一些黑洞十分活躍，它們會發出大量的幅射。

黑洞那強大的引力場會將周圍的一切物質拖進其中，將它們撕碎后形成一個由熱等離子體[5]構成的吸積盤[6]——就像一個軌道上的甜甜圈。

這個圓盤以接近光速的速度繞黑洞運行，圓盤的磁場將其中的高能粒子加速成一束束沿著黑洞軸向的細長“噴流”（jets）。隨著粒子與黑洞間的距離越來越遠，這些噴流會逐漸擴散開來變成巨大的蘑菇狀云或“瓣狀結構”（lobes）[7]。

（圖解：射電星系大力神A的中心有一個活躍的超大質量黑洞。圖為黑洞發射的高能粒子流最后逐漸擴散成瓣狀結構。圖片來源：NASA，ESA，S. Baum & C. O’Dea(RIT)，R. Perley & W. Cotton(NRAO/AUI/NSF)，and the Hubble Heritage Team(STScl/AURA)）

這整個結構構成了射電星系[8]，而它之所以被如此命名就是因為它會釋放出大量的射頻輻射[9]。射電星系可能橫跨了數百、數千甚至數百萬光年的尺度，因此需要數億年才能展現出一些較為劇烈的變化。

天文學家有一個一直以來的疑問：為什么有些射電星系擁有巨大的瓣狀結構，而另一些射電星系的雙瓣結構體積卻十分有限？現有兩種理論對這個問題作出了解釋。其中一種理論認為粒子噴流受到了黑洞周圍密集的物質的阻擋，從而形成了體積相對較小的“受挫瓣”。

然而，這種現象的一些細節仍然是未知的。我們目前還不清楚這些瓣狀結構是否只是暫時被它周圍體積小而密度極高的環境給困住了，還是說它們正緩慢地穿過一個更大而密度較小的空間。

另一種理論給出的解釋是小體積的瓣狀結構是粒子噴流還未完全擴散至更遠距離時的早期表現。

紅色的老年星系與藍色的新生星系

無論一個射電星系的年齡是大是小，我們都可以通過現代射電天文學的巧妙運用來辨別——觀察它們的“射電顏色”。

我們查看了默奇森大射電陣（Murchison Widefield Array, MWA）的銀河系以及河外星系GLEAM全天巡視數據，這些數據展示了20種不同無線電頻率下的天空，為天文學家提供了一幅前所未有的天空射電圖像。

在射電圖像中，新生的射電星系將呈現藍色，這意味著它們在射電頻率越高時亮度越高。與此同時，一些年紀較大或瀕臨死亡的射電星系會呈現紅色，即意味著它們在射電頻率較低時更為明亮。

過去我們已經發現了554個新生射電星系。但當我們將時隔一年拍攝的相同數據和圖像進行對比時，我們驚訝地發現其中有123顆的亮度在反復波動，仿佛是這些星系在閃爍一般。這成為了我們心中的一個謎題。

大小在一光年以上的物體不可能在不到一年的時間內亮度發生如此大的變化，而不違背任何物理定律。所以，要么是因為我們找到的星系遠比預期的小，要么就是發生了其他事情。

幸運的是，我們有找到答案所需要的數據。

過去對射電星系變化特征的研究通常是針對少量星系，或使用從多架不同望遠鏡收集的檔案數據，抑或是僅在單一頻率下進行的。

在我們的研究中，我們在一年內通過多種射電頻率觀測了21000個以上的星系。這是首次“光譜變化”觀測，使我們能夠看到星系在不同頻率下的亮度是如何變化的。

一些不斷波動的年輕的射電星系在一年的時間里發生了翻天覆地的變化，以至于我們懷疑它們根本就像嬰兒一樣，也有可能這些致密的射電星系其實是正值青春期的少年，正在以遠比我們想象更快的速度長大成人。

雖然大多數可變星系的亮度在不同射電顏色上的增減幅度大致相同，但也有一些特立獨行的星系存在。此外，還有51個星系在亮度和顏色上同時發生了變化，這也許是造成這種特征的一個線索。

成因的三種可能

閃爍的星系

來自恒星的光線穿過地球大氣層時會發生扭曲，這就產生了我們在夜空中看到的星星閃爍的效果，我們稱之為“閃爍”（scintillation）。在本次觀測中，射電星系發出的光線穿過銀河系之后，才到達了我們地球上的望遠鏡。

因此，我們星系中的氣體和塵埃可能以同樣的方式使光線發生了扭曲，從而產生了閃爍的效果。

耀變體

在我們的三維宇宙中，有時黑洞會直接向地球發射高能粒子，這樣的射電星系被稱作“耀變體”（blazar）[11]。

這時我們不會看到細長的粒子流和巨大的蘑菇狀瓣狀結構，而會看到一個呈極小的亮點狀的耀變體。它們能在短時間內展現出極強的變化性，因為超大質量黑洞周圍發生的任何一次小型噴射，其產生的物質都會直接指向我們。

黑洞打嗝

當星系中心的超大質量黑洞像“打嗝”似的釋放出一些多余的粒子時，它們會形成一個粒子團，沿著噴流緩慢地移動。隨著粒子團向外擴散，我們會首先在“射電藍”中檢測到它，然后再在“射電紅”中檢測到它。

展望

這是我們首次在技術上有能力對多種射電顏色進行大規模的變化特征觀測，結果表明，我們對射電天空的認識還不夠充分，也許射電星系遠比我們預期的更有活力。

（圖源：SKAO/CRAR/SARAO）

隨著新一代望遠鏡投入使用，特別是平方千米陣列（Square Kilometre Array, SKA）[12]，天文學家將在之后數年的時間里建立起天空的動態圖像。

與此同時，觀察這些行為怪異的射電星系，并且特別關注這些不斷波動的“嬰兒”，也有著重要的意義和價值。

BY:Natasha Hurley-Walker

FY:趙若彤

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