深邃又浪漫，人類或許目睹了黑洞的蘇醒

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識(shí)令人驚嘆的世界。

前段時(shí)間，來(lái)自歐洲南方天文臺(tái)和智利千禧天體物理研究所的天文學(xué)家報(bào)道，人類可能首次觀測(cè)到星系中心超大質(zhì)量黑洞的“蘇醒”過(guò)程。

這個(gè)超大質(zhì)量黑洞位于處女座上一個(gè)橢圓星系（SDSS 1335+0728）的中心，距離地球3億光年，質(zhì)量相當(dāng)于100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。在此前幾十年的觀測(cè)中，它一直處于平靜的休眠狀態(tài)。從2019年12月開(kāi)始，它變得異?；钴S，并一直持續(xù)到現(xiàn)在。該發(fā)現(xiàn)以“SDSS 1335+0728：一個(gè)百萬(wàn)倍黑洞質(zhì)量的蘇醒”為題目，刊登在《天文與天體物理學(xué)》科學(xué)雜志上。

SDSS 1335+0728星系核心明亮起來(lái)

（圖片來(lái)源：European Southern Observatory）

黑洞是什么？

黑洞是宇宙中極端引力的產(chǎn)物。?有質(zhì)量的物體普遍對(duì)外界存在著一種吸引的力量，即萬(wàn)有引力。大質(zhì)量的天體通過(guò)自身強(qiáng)大的引力，可以將周圍的物體束縛在其附近。物體若要逃脫該天體的引力束縛，就需要具備更大的速度。例如，在地球表面發(fā)射一枚火箭，當(dāng)火箭的速度超過(guò)每秒11.2公里，就可以擺脫地球的引力束縛進(jìn)入太空中。天體對(duì)周圍產(chǎn)生的引力越強(qiáng)，要離開(kāi)它所需要的速度就越大。

如果一個(gè)天體的引力足夠強(qiáng)大，以至于連宇宙中運(yùn)動(dòng)速度最快的光都無(wú)法從中逃離出來(lái)，就會(huì)被稱為黑洞。

要產(chǎn)生這樣強(qiáng)的引力效應(yīng)，需要天體的質(zhì)量很大而半徑很小。在我們的宇宙中，一些大質(zhì)量的恒星經(jīng)過(guò)演化，最后就會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，這種黑洞的質(zhì)量通常是太陽(yáng)質(zhì)量的幾倍到幾十倍。而在星系的中心，通常還存在著一個(gè)百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這次天文學(xué)家研究的就是在一個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

黑洞概念圖

（圖片源自：uchicago news）

既然黑洞里的光無(wú)法逃逸出來(lái)，那么我們?cè)趺粗浪拇嬖谀?？確實(shí)，黑洞自身是無(wú)法被我們直接看到的，但黑洞對(duì)外界產(chǎn)生的強(qiáng)大引力卻會(huì)暴露它的存在。通過(guò)跟蹤黑洞對(duì)外界產(chǎn)生的影響，人們?nèi)匀豢梢圆东@到黑洞的蹤跡。例如，獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一項(xiàng)科學(xué)成果，就是監(jiān)測(cè)到銀河系核心區(qū)域的許多恒星都在圍繞著中心一個(gè)位置繞轉(zhuǎn)，并由此推算出那里應(yīng)該存在一個(gè)質(zhì)量很大的黑洞。

銀河系核心區(qū)域的恒星圍繞著中心一點(diǎn)繞轉(zhuǎn)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

黑洞的“休眠”與“蘇醒”

圍繞著這種大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星，如果沒(méi)有受到其他干擾，它的角動(dòng)量通常不會(huì)損失。物體繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向外的離心力，抵抗了黑洞向內(nèi)的引力，從而達(dá)到平衡，物體就不會(huì)掉入黑洞。這與月球重復(fù)繞地球旋轉(zhuǎn)而不會(huì)掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質(zhì)保持相安無(wú)事，黑洞周圍是一片平靜的狀態(tài)。從觀測(cè)者視角看，此時(shí)的黑洞像是處在休眠狀態(tài)。

當(dāng)星系核區(qū)的物質(zhì)受到某種干擾損失了角動(dòng)量，由于向外的離心力減小，無(wú)法抵抗黑洞向內(nèi)的引力，物質(zhì)會(huì)落入黑洞。在下落過(guò)程，這些物質(zhì)會(huì)形成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)。盤中的物質(zhì)一邊繞黑洞快速旋轉(zhuǎn)，一邊逐步落入黑洞中。這個(gè)過(guò)程被稱為吸積。

物質(zhì)掉落到黑洞的過(guò)程中，會(huì)釋放巨大的引力能，并最終通過(guò)各種能量形式輻射到宇宙空間中。這個(gè)過(guò)程所輻射的巨大能量，甚至可以超過(guò)整個(gè)星系所有恒星輻射的總和，使得星系的核心非常的明亮。此時(shí)的黑洞，正處在吞噬周圍物質(zhì)的活躍狀態(tài)。

星系中心黑洞吞噬周圍外界物質(zhì)，并向往釋放能量

（圖片來(lái)源：Shasthra Snehi）

目前，休眠和活躍這兩種狀態(tài)的黑洞，都已被大量觀測(cè)到。但是，這兩種狀態(tài)的切換過(guò)程還沒(méi)有被明確觀測(cè)到。

SDSS 1335+0728帶來(lái)的新發(fā)現(xiàn)

2019年12月，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)SDSS 1335+0728的中心區(qū)域非常明亮。起初，他們以為那只是一個(gè)普通的處于活躍狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞的吸積現(xiàn)象。然而，回顧過(guò)去20年對(duì)它的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它活躍的跡象。也就是說(shuō)，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞在過(guò)往一直是休眠狀態(tài)，直到近些年才開(kāi)始活躍。

從2019年之后，SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征，產(chǎn)生很強(qiáng)的高能X射線、紫外線輻射，以及很強(qiáng)的紅外波段的輻射。對(duì)于這一不同尋常的現(xiàn)象，天文學(xué)家試圖給出合理的解釋，目前可能性較大的解釋有下面兩種。

一次對(duì)恒星的吞噬？

當(dāng)一顆恒星運(yùn)行到距離星系中心黑洞過(guò)近的位置時(shí)，會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力撕裂、拉伸成細(xì)長(zhǎng)的“面條”結(jié)構(gòu)，逐漸掉落到黑洞中。這個(gè)過(guò)程通常伴隨著短暫的能量釋放，使得原本沉寂的星系中心會(huì)由此突然變亮。這種天文現(xiàn)象通常被稱為潮汐瓦解事件。之所以這樣命名，是因?yàn)檫@一過(guò)程的原理和我們地球上海水的潮汐現(xiàn)象類似。

我們知道，引力的大小隨著距離的增大而減小。地球上不同位置的海水到月球的距離不同，距離月球較近的海水受到的引力較大，而距離月球較遠(yuǎn)的海水受到的引力較小。這種引力差，導(dǎo)致整個(gè)海洋產(chǎn)生形變，引發(fā)海水漲落，從而出現(xiàn)我們所看到的潮汐現(xiàn)象。

同樣地，黑洞附近的恒星，其不同位置受到的黑洞引力大小也不相同。恒星距離黑洞越近，這種引力差就越明顯。當(dāng)恒星過(guò)于靠近黑洞時(shí)，強(qiáng)大的引力差可以超過(guò)恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開(kāi)來(lái)。被撕裂的恒星物質(zhì)逐步落入黑洞，并發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。若此時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)星系中心突出變亮。

超大質(zhì)量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解過(guò)程

（圖片來(lái)源：HubPages）

近些年，潮汐瓦解事件已經(jīng)在天文觀測(cè)中被多次發(fā)現(xiàn)。那么，此次星系核心的異常變亮現(xiàn)象，能否用這樣的潮汐瓦解事件來(lái)解釋呢？

天文學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)，它在幾個(gè)方面并不符合一個(gè)典型的潮汐瓦解事件的特征。比如,潮汐瓦解事件所產(chǎn)生的亮度變化一般只持續(xù)幾十天，最多幾百天。而這次的星系核心區(qū)域直到現(xiàn)在還在變亮，距離第一次發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)4年了。

當(dāng)然，由于目前人們對(duì)潮汐瓦解事件了解得還不夠清楚，我們還不能完全排除這一可能性。也許，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件。例如，被黑洞撕裂的不是一顆恒星，而是附近一個(gè)較小的衛(wèi)星星系。如果這確實(shí)是一次潮汐瓦解事件，那么它會(huì)是人類所知的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、亮度最微弱的潮汐瓦解事件。

有幸目睹了黑洞的蘇醒？

本次觀測(cè)到的SDSS 1335+0728的特性，和其他正處在活躍狀態(tài)的星系核并無(wú)太大的差異。加利福尼亞理工學(xué)院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測(cè)，或許這個(gè)星系就沒(méi)有什么特殊性，我們只是恰巧捕捉到了一個(gè)特別的時(shí)刻。

宇宙中星系的中心通常都存在著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，有些星系中心的黑洞處于平靜狀態(tài)，有些則是處于活躍狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，活躍狀態(tài)黑洞的數(shù)量遠(yuǎn)少于平靜狀態(tài)的黑洞。這意味著黑洞處于活躍狀態(tài)的時(shí)間只占少部分。

如果把星系中心的超大質(zhì)量黑洞比作一只巨獸，那么這只巨獸在大部分時(shí)間里處于沒(méi)有食物可吃的休眠狀態(tài)，而只有少部分時(shí)間處于捕食進(jìn)餐的活躍階段。當(dāng)食物被吃光消化后，它再次恢復(fù)到平靜狀態(tài)。

如果星系中心的黑洞都要經(jīng)歷一次或多次從平靜狀態(tài)進(jìn)入活躍狀態(tài)，再回到平靜狀態(tài)的周期轉(zhuǎn)換，那么這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，為什么沒(méi)有被人們廣泛觀測(cè)到呢？這是因?yàn)楹诙茨硞€(gè)狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間（典型時(shí)標(biāo)在百萬(wàn)年），相對(duì)于人類有限的現(xiàn)代天文觀測(cè)歷史（不足百年）來(lái)說(shuō)是非常漫長(zhǎng)的?；蛘哒f(shuō)，人類目前的觀測(cè)只能目睹整個(gè)黑洞演化歷程中某個(gè)短暫的瞬間。

只有當(dāng)這個(gè)瞬間恰好對(duì)應(yīng)于黑洞從休眠狀態(tài)向活躍狀態(tài)剛剛啟動(dòng)的時(shí)刻，我們才有機(jī)會(huì)目睹黑洞的蘇醒。在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近觀測(cè)，我們有限的觀測(cè)歷史，既可以覆蓋到黑洞的休眠階段，又能覆蓋到黑洞的活躍階段。而這樣的關(guān)鍵時(shí)刻自然是不容易碰到的，這或許就是之前一直沒(méi)有被人們看到的原因。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在，天文學(xué)家依然在持續(xù)關(guān)注這個(gè)超大質(zhì)量黑洞，準(zhǔn)備利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行更深入的后續(xù)觀測(cè)研究，以徹底弄清它異?；钴S的原因。這將有助于預(yù)測(cè)未來(lái)它將重歸平靜還是繼續(xù)活躍，并加深我們對(duì)星系中心超大質(zhì)量黑洞的生長(zhǎng)和演化過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

1. Sánchez-Sáez et al. (2024); SDSS1335+0728: The awakening of a ～106M⊙ black hole

2. Genzel, Eisenhauer & Gillessen (2010); The Galactic Center massive black hole and nuclear star cluster