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NASA

此次研究利用了位于印度的巨米波射電望遠(yuǎn)鏡，正是由于像這類(lèi)望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)進(jìn)步，才使得蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)巨大空洞之謎得到解答。

圖片來(lái)源：巨米波射電望遠(yuǎn)鏡官網(wǎng)

在距離地球約3.9億光年的深空中，坐落著一個(gè)龐然大物——蛇夫座星系團(tuán)。如果以我們常用的X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)，它是人類(lèi)迄今為止發(fā)現(xiàn)的第二亮的星系團(tuán)，僅次于3億光年外的英仙座星系團(tuán)。近年來(lái)，天文學(xué)家逐漸挖掘出這顆璀璨明珠背后隱藏了幾億年的秘密。

近期，美國(guó)和澳大利亞等多國(guó)天文學(xué)家聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，此前在蛇夫座星系團(tuán)中觀(guān)測(cè)到的巨大、神秘的氣體空腔，系該星系團(tuán)中央巨大黑洞在很久之前的爆發(fā)活動(dòng)所致。也就是說(shuō)，中央黑洞猛烈釋放能量，在其周?chē)?ldquo;砸”出一個(gè)巨大空洞，直徑約為150萬(wàn)光年，可以裝下15個(gè)連成一排的銀河系。該研究成果日前發(fā)表于《天體物理學(xué)》雜志上。

文章第一作者、美國(guó)海軍研究所研究人員西蒙娜·吉亞辛圖奇將這一空洞比喻成“巨大的射電化石”，足見(jiàn)其由來(lái)已久。

迷霧重重，探究能量源頭

研究人員表示，此前也在其他星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的空洞，如前文提及的英仙座星系團(tuán)以及長(zhǎng)蛇座 A星系團(tuán)等。但蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)出現(xiàn)的空洞之大卻是前所未見(jiàn)。他們估計(jì)，制造該空洞所需的能量可能是此前已知最大同類(lèi)空洞所需能量的6倍。10億個(gè)太陽(yáng)發(fā)光10億年所產(chǎn)生的能量也不及引起這次爆炸能量的百分之一。

該空洞究竟是如何形成的?根據(jù)此前的研究推斷，應(yīng)該是活動(dòng)星系核導(dǎo)致。

活動(dòng)星系核是指一類(lèi)中央核區(qū)活動(dòng)性很強(qiáng)的系外星系核心，活躍而明亮。通常認(rèn)為，活動(dòng)星系核的“發(fā)動(dòng)機(jī)”是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。黑洞吸引物質(zhì)，在其周?chē)纬闪艘蝗Σ煌＾D(zhuǎn)動(dòng)的吸積盤(pán)。吸積盤(pán)中的物質(zhì)不斷落入黑洞，物質(zhì)損失的角動(dòng)量，以能量的形式被黑洞“吐出”，在吸積盤(pán)的垂直方向形成高速?lài)娏鳌?/p>

以往的研究中，無(wú)論是英仙座還是其他星系團(tuán)，人們都能觀(guān)測(cè)到正在爆發(fā)的中央黑洞。黑洞的噴流就像黑暗中耀眼明亮的一道光束，攜帶著巨大的能量，可以加熱并“驅(qū)逐”周?chē)鷱浬⒌臍怏w，造成類(lèi)似的空洞景象。

然而，蛇夫座空洞的能量源頭之謎解得卻甚是曲折。

“早在2006年，蛇夫座空洞就引起了研究人員的注意。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)表示，另一組研究人員當(dāng)時(shí)通過(guò)錢(qián)德拉太空望遠(yuǎn)鏡提供的X射線(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)有一個(gè)“奇怪的曲邊”，即空洞的邊緣。但令人疑惑的是，蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞十分黯淡沉寂，并沒(méi)有正在爆發(fā)的跡象。另一方面，彼時(shí)研究人員認(rèn)為，制造這一空洞需要的能量太大，因此否認(rèn)了黑洞爆發(fā)導(dǎo)致空洞形成的可能性。

如今，為何又將以黑洞為引擎的活動(dòng)星系核判為“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;呢?

“此次研究利用的是射電波段數(shù)據(jù)，研究人員從中發(fā)現(xiàn)了高能量的相對(duì)論性電子，黑洞噴流能直接地、大規(guī)模地產(chǎn)生這些高能量電子。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷告訴科技日?qǐng)?bào)記者，2006年的研究主要依賴(lài)于X射線(xiàn)數(shù)據(jù)，受限于波段區(qū)域，無(wú)法探測(cè)到相對(duì)論性電子，只能探測(cè)到能量相對(duì)較低的電子，這些電子的來(lái)源既包括星系團(tuán)中央黑洞爆發(fā)，也包括星系團(tuán)并合活動(dòng)等其他天文事件。因此，在當(dāng)年的研究數(shù)據(jù)支撐下，蛇夫座空洞形成的能量源頭還不甚明朗。

“若此次研究成果據(jù)實(shí)，謎底的天平會(huì)向‘中央黑洞爆發(fā)’這一端傾斜。”陳學(xué)雷說(shuō)。

沉寂寧?kù)o，等待下一輪回

在陳學(xué)雷看來(lái)，這也許并非是蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞一次性短暫爆發(fā)導(dǎo)致的結(jié)果，很可能是經(jīng)過(guò)幾千萬(wàn)年甚至幾億年的長(zhǎng)時(shí)間積累，才呈現(xiàn)出如今所見(jiàn)的龐大空洞。

遺憾的是，蛇夫座星系團(tuán)的星系核已經(jīng)變得“懶惰”，中央黑洞也寧?kù)o下來(lái)，中央核區(qū)釋放的信號(hào)很弱，今后的幾代人也許有生之年都無(wú)法領(lǐng)略到蛇夫座星系團(tuán)中央核區(qū)的“焰火”之美。

是什么原因讓活躍的活動(dòng)星系核沉寂下來(lái)?陳學(xué)雷表示，據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)推測(cè)，活動(dòng)星系核活動(dòng)的時(shí)間可能持續(xù)幾千萬(wàn)到幾億年。星系核活動(dòng)時(shí)需要通過(guò)黑洞吸收周?chē)镔|(zhì)產(chǎn)生能量，反過(guò)來(lái)，黑洞噴流會(huì)將周?chē)奈镔|(zhì)吹散，久而久之，當(dāng)黑洞周?chē)乃形镔|(zhì)皆被驅(qū)散到遠(yuǎn)處，黑洞便會(huì)“餓死”，活動(dòng)星系核也會(huì)沉寂下來(lái)。待經(jīng)歷漫長(zhǎng)時(shí)間的演變，四散的物質(zhì)重新被黑洞吸引，便又開(kāi)啟了下一個(gè)輪回。

“由此可見(jiàn)，活動(dòng)星系核爆發(fā)之后的沉寂實(shí)則是必然，只不過(guò)人類(lèi)幾十年前才具備相應(yīng)的觀(guān)測(cè)手段，在人類(lèi)活動(dòng)的時(shí)間尺度上難以觀(guān)測(cè)到活動(dòng)星系核爆發(fā)到停止的整個(gè)過(guò)程。”陳學(xué)雷說(shuō)。

雖然蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)的星系核不再活躍，但它造成的巨大空洞還未消散，可以幫助我們還原幾億年前的星空歷史。而這場(chǎng)遠(yuǎn)古的爆發(fā)所帶來(lái)的影響，遠(yuǎn)比我們觀(guān)測(cè)到的空洞表象深遠(yuǎn)得多。

“活動(dòng)星系核的爆發(fā)能夠在一定程度上抑制恒星的形成。”陸由俊指出，恒星的誕生與宇宙中高密度的冷卻氣體息息相關(guān)，而黑洞噴流會(huì)將周?chē)臍怏w加熱，一定程度上阻礙了恒星誕生的步伐。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為活動(dòng)星系核反饋效應(yīng)。

“家族”添丁，更多謎題待解

“此次對(duì)蛇夫座星系團(tuán)的研究，為星系團(tuán)中活動(dòng)星系核所致大型空洞現(xiàn)象的‘大家族’擴(kuò)充了一個(gè)案例，對(duì)我們研究星系形成過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)，即活動(dòng)星系核反饋效應(yīng)，提供了幫助。”陸由俊道。

與以往類(lèi)似事件不同的是，此次研究人員觀(guān)測(cè)到蛇夫座星系團(tuán)內(nèi)部存在一個(gè)冷核，冷核周?chē)胶诵牡哪芰繌?0keV(千電子伏特)急劇下降到1keV以下，溫度也隨之出現(xiàn)斷崖式下降。而冷核往往會(huì)在黑洞爆發(fā)時(shí)被高溫噴流摧毀。

在陸由俊看來(lái)，蛇夫座星系團(tuán)活動(dòng)星系核爆發(fā)之后進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間的沉寂，星系團(tuán)內(nèi)的氣體少有能量注入，才導(dǎo)致了該冷核的形成。“由此可見(jiàn)，此次研究對(duì)星系團(tuán)內(nèi)部加熱、冷卻問(wèn)題的研究也有所裨益，進(jìn)而對(duì)蛇夫座早期的活動(dòng)星系核反饋過(guò)程有所了解。”

星空浩瀚無(wú)比，探索永無(wú)止境。

陸由俊表示，針對(duì)蛇夫座星系團(tuán)空洞現(xiàn)象，還有一些問(wèn)題需要深入的研究。比如，要進(jìn)一步搞清楚蛇夫座星系團(tuán)中央黑洞的具體大小，進(jìn)而可估計(jì)出該黑洞能否產(chǎn)生足夠的能量，形成這一龐大空洞。再者，即便能量充足，被眾多星系團(tuán)團(tuán)“圍困”的噴流能否發(fā)射到空洞的位置并依然保存著巨大的能量，這也是需要進(jìn)一步論證的。

此次研究利用了澳大利亞默奇森寬場(chǎng)陣列和印度的巨米波射電望遠(yuǎn)鏡收集到的射電信息。“隨著低頻射電望遠(yuǎn)鏡和更多新型觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，相信會(huì)有越來(lái)越多類(lèi)似的現(xiàn)象被觀(guān)測(cè)到，也會(huì)有更奇特的天文景觀(guān)等待我們?nèi)ネ诰蛱剿鳌?rdquo;陳學(xué)雷說(shuō)。于紫月