類星體在宇宙眨眼的瞬間消失

由超大質量黑洞驅動的類星體出乎意料地消失，科學家們已經開始尋找原因。斯蒂芬妮·拉瑪薩（Stephanie LaMassa）在看過電腦上的兩張圖片後恍然大悟，這兩張圖片雖然看上去不同，但描述的是同一個物體。第一張圖片由2000年斯隆數字巡天(Sloan Digital Sky Survey)拍攝，圖片中的物體很像典型的類星體：極其明亮而遙遠的天體，由銀河系中心超大質量黑洞提供動力。它是藍色的，並且有著寬闊的光峰。但在2010年測量的第二幅圖像中，它的亮度僅為原來的十分之一，沒有出現同樣的峰值。

博科園-科學科普：類星體似乎消失了，只留下了另一個星系，儘管類星體消失，轉變為星系，但這個過程需要1萬年甚至更長時間。然而這類星體似乎在不到10年的時間裡就消失了——這只是宇宙一眨眼的功夫。在太空望遠鏡科學研究所工作的天文學家拉瑪薩現在感到很困惑。在2014年之前，她和其他許多人一樣，都預計類星體將相對停滯不前。

然後你將看見人一生中發生的巨大變化，這很酷。儘管已經發現了類星體暗淡的例子，但天文學家們想知道，像拉瑪薩發現的劇烈變化是否已經普遍存在。檢驗其真實性並不是一項簡單的任務，調查一但深入就不會回頭觀看之前觀察到的物體。

旋轉進入超大質量黑洞的熱吸積盤延伸了數萬億公里，它怎麼突然停下了呢？圖片：Jessica Rossier for Quanta Magazine

天文學家們通過歸檔數據進行了搜索，發現了50到100個不斷變化的類星體。其中一些類星體比拉瑪薩的發現黯淡了很多，還有一些在一兩個月的時間裡就發生了轉變，其他一些類星體在消失後又重新出現。伊利諾伊大學(University of Illinois)天文學家埃里克·摩根森(Eric Morganson)說：很明顯，我們以前沒有發現這些物體的原因是我們沒有尋找過它們。但是，如此巨大的天體——由太陽系的氣體和塵埃渦旋旋成數百萬太陽質量的黑洞而產生的超亮燈塔 ，怎麼會如此迅速地消失呢？

起初天文學家拒絕相信它們是類星體，而認為它們是偽裝成類星體的超新星和耀斑恆星，又或是塵埃星雲暫時擋住了視線。然而，這些想法在很大程度上未能符合天文學家的觀測結果。過去的一年裡，天文學家更加仔細地觀察了這些系統，發現了一些細節，表明了吸積盤（環繞黑洞的熱物質漩渦）賦予了這些物體耀眼的亮度，亮度會忽明忽暗。

1、黑洞二重身

在過去的四年里，天文學家們一直試圖用最簡單的理論來理解不斷變化的類星體。首先，這意味著要找到不需要對吸積盤進行全面更改的場景。為了了解原因，考慮系統的大小大有益處。如果能把類星體放置到太陽系的頂部，超大質量黑洞就會吞噬太陽，而吸積盤也會延伸數萬倍。要想讓類星體消失，所有這些物質都必須向內旋轉並落入黑洞。計算甚至觀察都表明，這一過程需要花數萬至數十萬年的時間。哈佛-史密森天體物理學中心的天體物理學家保羅·格林說：吸積盤不可能像我們看到的那樣迅速消失。如果真是那樣，物理學就真的沒有意義。

所以天文學家考慮了其他可能性，2014年當拉瑪薩第一次發現驚人的現象時，她推測，這顆明亮的類星體被一團巨大的塵埃雲擋住光線。但是當她和同事們試圖模擬這個場景時，只有一個過於複雜的多雲環境才能重現這一觀測結果。除此之外，任何改變都需要比幾年更長的時間。其他一些人認為這些物體或許根本就不是類星體。2015年德國馬普外層空間物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)的安德里亞·梅洛尼(Andrea Merloni)提出：或許拉瑪薩觀測的天體實際上是一顆恆星，由於它距離黑洞過近，被黑洞撕裂而後形成了一束明亮的耀斑。同樣也有人認為所謂的類星體實際上是強大的超新星。

斯蒂芬妮·拉瑪薩(Stephanie LaMassa)是一名天文學家，現在就職於太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)。從那以後，天文學家又發現了幾十個這樣的天體。圖片：Joe DePasquale

這兩種猜測的物體都很像類星體，而且都比它們的寄主星系更亮，甚至可能發出類似波長的光。然而這些物體的光線會在幾個月到幾年的時間裡逐漸減弱，從而與變化的類星體背後的時間尺度相匹配。但問題是，光線也會隨著一個特殊的特徵而減弱，這是天文學家沒有了解到的部分。所以研究人員最近又轉向研究類星體，並且得到一些新研究的幫助，這些研究已經探索了物體本身的旋轉圓盤。2017年中國科學技術大學的天文學家盛振峰和同事們在可見光和紅外光下觀察了多個變化的類星體。

這些波長使研究小組不僅可以看到每一個類星體的吸積盤，還可以看到它的環面——包裹在吸積盤周圍的環狀塵埃雲。吸積盤向黑暗的環面發出可見光，在那裡它被吸收並以紅外光的形式重新發射。因此任何在吸積盤上發生的改變將會在環面內回顯。與其他研究一樣，盛和同事也看到了這一現象，從而得出這樣的結論：這是流經吸積盤的物質量變化的標誌。這種大範圍的變化如何發生仍頗有爭議，但最近出現了許多假說。

2、吃自助餐與換形

它可能是一個不需要完全清除板塊才能消失的類星體。理解這點要將吸積盤分解成單獨部分:明亮的內部區域照亮了暗淡的外部區域。如果黑洞吞噬了內部區域(這一過程可能在幾個月內發生)，內部盤就會消失，如果沒有明亮的燈塔，外部盤就會變暗，這就好比太陽的死亡導致月球失去光芒一樣。將它們與自助餐的人類比，如果面前有無限多的食物，它們就會以最快的速度進食，然後保持相對穩定。但發現當食物還在的時候，它們只是在休息。或許吸積盤改變了它的形狀，這聽起來很瘋狂，但今年對兩個不同類星體的研究發現了這一理論的證據。

紫外線和藍色首先消失，然後是綠色，最後是紅色。這個序列從能量最高的顏色流向能量最低的顏色。因此它類似於從內部磁碟到外部磁碟的波動變化。美國自然歷史博物館(American Museum of Natural History)的天體物理學家巴里?麥克南(Barry McKernan)表示：某種東西正在導致吸積盤從裡到外逐漸變暗。因為顏色並沒有完全消失，研究人員並不懷疑內部吸積盤被黑洞完全吞噬。相反，他們認為一個冷卻鋒以驚人的速度從超大質量黑洞中沖了出來。這種速度很重要，因為它可以揭示關於圓盤結構的線索。

一顆外觀變化的類星體在短短几年內就從明亮變為暗淡。圖片：Michael S. Helfenbein/Yale University

如果磁碟是粘性和湍流的，那麼通過它發送信息相當容易。因此當冷鋒經過時，磁碟必須是粘性的，吸積盤也就膨脹成甜甜圈一般，而不是一張DVD——最後才會坍塌成一個薄磁碟。但另一種假設則恰恰相反:吸積盤在膨脹之前開始變薄。當超大質量黑洞的低質量分身變得不活躍時，當它們在黑洞上吸積大量物質時，它們的吸積盤就會非常薄而且發光。但當吸積速率降低時，圓盤就會膨脹成一個準球形結構，難以發出光線。

日本東北大學的野田博文和英國杜倫大學的克里斯想知道這種膨脹是否會導致類星體的改變。所以今年將恆星質量黑洞周圍吸積盤的模型應用到超大質量黑洞周圍。研究人員發現這種變化可能發生在類星體的吸積盤上，而且速度很快(雖然沒有幾十年那麼快)。天文學家還不能說這個超大質量黑洞是否已經被餓死，是否圓盤本身已經變形（不是膨脹就是塌陷）或者由完全不同的機製造成。目前還不清楚吸積盤中的氣體是如何從一個大半徑的軌道流向黑洞附近的軌道，以及它如何最終落入黑洞。耶魯大學天體物理學家梅格·厄里說：而其他因素，比如磁場可能在天文學家還不了解的情況下起著關鍵作用，這是我們想像力的失敗。

3、「謀殺-自殺協定」

儘管細節尚不清楚，但對氣體和塵埃如何流入黑洞的更好理解，將不僅僅是為了滿足我們的好奇心，它將有助於解釋星系如何進化。近20年前天文學家發現超大質量黑洞的質量與整個星系的質量密切相關。事實上，黑洞截斷了星系的增長，使其比模擬預測的要小10到100倍。麥吉爾大學的天體物理學家約翰·魯安（John Ruan）說：與整個星系相比，黑洞的引力圈很小，那麼為什麼兩者之間有著如此密切的聯繫呢？當首次發現兩者有關聯時，問題的答案仍是個謎，但天文學家現在懷疑類星體可能會對它們的宿主星系造成嚴重破壞，而且其影響非常深遠。

類星體的強烈風將塵埃和氣體吹出星系，它的極端光度將剩餘的氣體加熱到新恆星無法形成的高溫。德雷塞爾大學(Drexel University)的物理學家戈登?理查茲(Gordon Richards)表示：它實際上是在「謀殺-自殺協定」中，讓自己和宿主星系都無法生存。由於天文學家無法同時觀測到一個遙遠的類星體和它的星系，因此很難確定其細節。然而如果天文學家能夠進行宇宙實驗，他們將研究類星體，然後關閉開關，使其變暗。改變類星體的外觀實驗提供了一個前所未有的機會來更好地了解類星體的深遠影響。

但是要真正把握兩者之間的關係，天文學家還需要一個更大的不斷變化的類星體樣本。為了找到它們，必須一次又一次地返回到相同的類星體和星系去發現任何變化。從2017年開始，位於加州的Zwicky Transient就已經開始繪製天空的地圖了，大約每年回到同一個物體300次。另外，更多的設施也將不斷出現。例如計劃於2022年投入使用的大型天氣觀測望遠鏡將每晚以五種顏色繪製整個天空。將拍攝一部關於整個天空的彩色電影，它將會發現數以百萬計的奇妙物體。

麥克南對未來的發展方向持保留態度。在樂觀的時刻，他希望調查能幫助天文學家抓住機會，如果我們在正確的時間、地點，能夠捕捉到其中一件正在發生的事情，並使用多種儀器進行跟蹤，我們可能會取得突破。儘管那仍然需要一點運氣，但這樣的觀察甚至可能有助於描述未來的銀河系。畢竟在大約50億年的時間裡，我們的星系和仙女座星系將發生碰撞，這可能會引發另一個類星體，並使我們的夜空陷入混亂。對這些細節更清晰的預見可能來自於對類星體神秘的消失行為更好的理解。

博科園-科學科普｜文：Shannon Hall/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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