超大質(zhì)量黑洞竟在短短數(shù)年內(nèi)就“耗盡燃料”？

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主譯：酥油餅

校對：甘林

審核：牧夫天文校對組

美編：張少巖

后臺：王啟儒

https://sorae.info/astronomy/20260402-quasar-rapid-dimming.html

宇宙之中的變化，在我們?nèi)祟惖母杏X看來往往需要極其漫長的時間才能發(fā)生。然而這一次，天文學家報告了一項觀測結果：在宇宙尺度上被稱為“瞬間”的極短時間內(nèi)，某個天體發(fā)生了劇烈的變化。

類星體亮度在約20年內(nèi)驟降至原來的二十分之一

包括我們所在的銀河系在內(nèi)，許多星系的中心都被認為存在著一種質(zhì)量高達太陽數(shù)十萬倍至數(shù)十億倍的天體——超大質(zhì)量黑洞。

雖然黑洞本身不會發(fā)光，但當它以強大的引力吸積周圍氣體時，會形成一個旋轉的“吸積盤”。這個盤內(nèi)的氣體在劇烈摩擦中被加熱，從而釋放出強烈的電磁輻射。這類位于星系中心的活躍區(qū)域被稱為“活動星系核（AGN）”，其中最為明亮的，就被稱為“類星體”。

由千葉工業(yè)大學天文學研究中心首席研究員諸隈智貴帶領的國際研究團隊，希望弄清活動星系核在漫長時間中是如何演化的。為此，他們主要關注的是對比“過去”和“現(xiàn)在”的大范圍天區(qū)觀測數(shù)據(jù)。

具體來說，他們將2000年代初實施的大規(guī)模巡天項目“斯隆數(shù)字巡天（SDSS）”的畫像，與近年來日本國立天文臺夏威夷觀測所的昴星團望遠鏡所搭載的“超廣視場主焦點相機（HSC）”獲取的觀測圖像進行了對比分析。

在對海量天體數(shù)據(jù)進行比對分析后，一個現(xiàn)象浮現(xiàn)出來。約100億年前（紅移z=1.767）的類星體“SDSS J021801.90-003657.7”（簡稱 J0218-0036），其亮度在約20年間驟降至原來的二十分之一。

研究團隊表示，在如此短時間內(nèi)出現(xiàn)如此劇烈減光的類星體，此前幾乎沒有觀測先例。

【▲ 不同時期觀測到的類星體“J0218-0036”（箭頭）。左邊是2002年左右使用斯隆數(shù)字巡天（SDSS）拍攝的圖像，右邊則是2018年左右使用昴星團望遠鏡搭載的HSC拍攝的圖像。（圖片來源: SDSS、HSC-SSP/日本國立天文臺）】

黑洞真的“沒燃料了”嗎？

那么，這種急劇變暗的現(xiàn)象究竟是如何產(chǎn)生的？研究人員利用同樣位于夏威夷莫納克亞山頂?shù)膭P克天文臺的凱克望遠鏡進行后續(xù)觀測，同時結合從X射線到紅外波段的歷史觀測數(shù)據(jù)，甚至還參考了約70年前的天文照相底片，對該天體進行了詳細分析。

通過多波段數(shù)據(jù)和理論模型比較得出的結果顯示，為黑洞提供物質(zhì)的吸積盤，其物理狀態(tài)很可能發(fā)生了急劇的變化，導致氣體流入量（即質(zhì)量吸積率）急劇下降。換句話說，這個黑洞可能出現(xiàn)了類似“燃料耗盡”的狀態(tài)。在將星系本身的光與活動星系核的光精確分離后，研究人員得出類星體本身的亮度實際上下降到了原來的約五十分之一。

研究團隊也曾考慮過，光變?nèi)趿说脑蚴欠袷且驗閺牡厍騺砜次挥诤诙辞胺降膲m埃云遮擋了光線。但他們發(fā)現(xiàn)，從可見光到紅外波段都出現(xiàn)了明顯變化，這種特征無法用單純的塵埃遮蔽來解釋

【▲ 描繪了活動星系核明亮時期（左）和暗淡時期（右）的想象圖。上面是星系整體，下面是把活動星系核放大的圖像。在氣體被吸積的明亮時期，存在于黑點狀黑洞周圍的吸積盤和其周圍的氣體與塵埃組成的圓環(huán)（甜甜圈狀構造）熠熠生輝。（圖片來源:千葉工業(yè)大學）】

宇宙尺度下的瞬間變化

期待今后也能發(fā)現(xiàn)類似的天體

這項研究成果最引人注目的地方，在于變化發(fā)生的速度。

至今為止，天文學家普遍認為活動星系核中黑洞吸積氣體的變化通常需要數(shù)萬年以上的時間逐漸顯現(xiàn)。但如果換算到該類星體所在星系自身的時間尺度，這次觀測到的“燃料耗盡”過程，僅用了大約短短的7年。這已經(jīng)是在人類一生中完全可以觀測到的時間范圍，也因此顛覆了對現(xiàn)有的黑洞增長模型的認識。

未來，如果通過昴星團望遠鏡等大視場巡天觀測，能夠發(fā)現(xiàn)更多類似正在進入沉寂期的類星體，我們期待可以更加深入地理解超大質(zhì)量黑洞的活動是如何停止與重新啟動的、黑洞與其宿主星系之間是如何共同演化的這些問題。

責任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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NASA宇航員杰西卡·梅爾在國際空間站的穹頂艙拍攝了這張漂浮著的阿爾忒彌斯計劃臂章的照片。（圖片來源: NASA/Jessica Meir）

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