星系大“变脸”,是什么让6个平静的星系变成了炽热的类星体?

几个月内,6个平静的星系变成炽热的类星体,科学家们不知原委。

与人类短暂的生命相比,我们倾向于把星系尺度上的事件看作是发生得极其缓慢的,但事实并非总是如此。

六个星系在短短几个月内以惊人的方式经历了巨大的转变。它们从相对平静的星系变成了活跃的类星体——所有星系中最亮的星体,并将大量的辐射释放到宇宙中。

类星体是一种非常明亮的星系,它拥有一个超大质量黑洞,一个质量相当于成百上千万个太阳的黑洞。当尘埃和气体落入黑洞时,其他粒子以接近光速的速度加速离开黑洞,在黑洞上方和下方形成喷流。2015年4月,VERITAS地面望远镜所探测到的伽马射线就是76亿年前由这种喷流发射出来的。(图片来源:Washington University in St. Louis)

不仅仅是令人惊奇,这个大事件还可能有助于解决一个长期争论的问题——是什么产生了某个特定类型的星系的光。事实上,这可能预示着一类前所未知的活动星系核。

这六个星系起源于低电离核发射线区(low-ionisation nuclear emission-line region,以下简称 LINER)星系,就亮度而言,它们有点像星系中的次子。

这些LINER星系占所有已知星系的三分之一,它们比中心超大质量黑洞正在休眠的星系更亮,但不如中心超大质量黑洞正在大快朵颐的活动星系(称为塞弗特星系)明亮。

这张塞弗特星系NGC1097的照片由哈勃望远镜使用可见光及红外光滤光片进行拍摄。塞弗特星系是活动星系核的一个亚型,是一类中心有明亮恒星状天体的旋涡星系,与类星体性质相似,它是星系核有激烈活动的星系,只是光度比较低。(图片来源:Message To Eagle)

现在,类星体星系是最活跃的星系,事实上它们也是宇宙中最明亮的天体之一。我们看到的可见光和无线电都是由黑洞周围的物质引起的,这些物质被称为吸积盘。

当物质落向吸积盘中的黑洞时,它释放能量并加热,导致盘中的内部区域变得更热、更亮。(图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center)

吸积盘包含着尘埃和气体,它们高速旋转,就像水顺着排水管流下去一样,同时在中心黑洞强大的引力牵引下产生巨大的摩擦力。这种摩擦产生强烈的热和光,从黑洞极区喷出的巨大喷流会发射无线电波。

与此同时,关于LINER星系中究竟是什么产生了光的争论由来已久。一些天文学家认为它是由黑洞产生的,另一些天文学家则认为它是大量星暴活动(星暴中诞生了许多恒星)的结果。

这幅壮丽的图像展示了星暴星系M82,它由碎裂的云网和火焰状的氢羽流组成,羽流从中心区域喷发出来,在这个区域内,年轻恒星的诞生速度比银河系中快10倍。(图片来源:NASA, ESA and the Hubble Heritage Team)

但是,由马里兰大学(University of Maryland)天文学家萨拉·弗雷德里克(Sara Frederick)领导的一个天文小组仔细核查了ZTF(Zwicky Transient Facility,兹维基瞬态观测设备)自动天空监测实验前九个月的数据,并发现了六个LINER星系发生了一些……奇怪的事情。

弗雷德里克说:“我们首先观察到了六个星系中的一个天体的潮汐撕裂事件,当一颗恒星距离一个超大质量黑洞太近而被撕碎时,就会发生这种情况。”

“但后来我们发现,这是一个之前处于休眠状态的黑洞,正在经历一种天文学家称之为‘变脸(changing look)’的转变,最终形成了一个明亮的类星体。观测到的六场转变全都发生在在相对平静的LINER星系中,这表明我们已经发现了一种活动星系核的全新类型。

艺术家创作的对比图,展示了“变脸”前后的类星体。(图片来源:Astronomy)

“变脸”的转变过程并不罕见,但通常不会如此剧烈。事实上,直到2015年,才有人报道过第一个“变脸”类星体,然后它逆向转变——一个逐渐变暗的类星体最终变成了塞弗特星系。

此外,“变脸”通常发生在不同类型的赛弗特星系之间,它们产生了不同类型的光。这种光通常取决于星系的朝向——边缘面朝我们还是整个圆盘面朝我们,所以这些转变对它们自己来说也是一个谜(有朝一日也许可以解释)。

这些塞弗特星系的转变正是该小组着手研究的。

马里兰大学的天文学家苏维·盖扎里(Suvi Gezari)说:“无心插柳柳成荫,我们发现了一类全新的活动星系核,能够将一个弱小的星系转变成耀眼的类星体。”

星系核拥有一个超大质量黑洞,一些星系核非常明亮,以至于中心区域比其余部分的星系还要耀眼,这些核被称为活动星系核(AGN,Active Galactic Nuclei)。活动星系核的能量输出主要是同步辐射、康普顿散射和受激辐射。(图片来源:Pearson Education)

“有理论认为,类星体的形成需要数千年的时间,但这些观测结果表明,这个过程可能发生得非常迅速,它告诉我们这个理论是完全错误的。我们曾以为塞弗特星系的转变是主要的难题,但现在还有更大的问题亟待解决。”

这张哈勃发布的图像显示了塞弗特星系2xmmj143450.5+033843,它距离地球近4亿光年。(图片来源:ESA/Hubble & NASA)

这些星系的恒星形成并不是很活跃——最活跃的就是每年产生相当于1.27个太阳的恒星。而其他研究显示,许多(但并非全部)LINER星系似乎也没有高的恒星形成率。

这并不意味着这六个星系是所有低恒星形成率LINER星系的体现,而可能意味着它们是一种完全不同类型的星系。

但这些发现也意味着我们对类星体的了解也可能是错误的。这些星系的变化在人类时间尺度上如此迅速而显著,这个事实与当前的类星体理论是不一致的。无论是什么导致了这种极端变化,它一定非常剧烈。

星系中间的黑洞(图片来源:ESO/L. Calçada, CC BY 4.0 )

“这六个转变过程如此突然并富有戏剧性,它告诉我们在这些星系中正发生着完全不同的事情”弗雷德里克说。

“我们想知道大量的气体和尘埃是如何突然落入黑洞的。我们捕捉到了这些转变发生的过程,这为我们提供了很多机会,来比较星系核在转变前后的样子。”

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