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此次研究利用了位于印度的巨米波射電望遠鏡，正是由于像這類望遠鏡的技術(shù)進步，才使得蛇夫座星系團內(nèi)巨大空洞之謎得到解答。圖片來源：巨米波射電望遠鏡官網(wǎng)
在距離地球約3.9億光年的深空中，坐落著一個龐然大物——蛇夫座星系團。如果以我們常用的X射線觀測，它是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的第二亮的星系團，僅次于3億光年外的英仙座星系團。近年來，天文學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，美國和澳大利亞等多國天文學家聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，此前在蛇夫座星系團中觀測到的巨大、神秘的氣體空腔，系該星系團中央巨大黑洞在很久之前的爆發(fā)活動所致。也就是說，中央黑洞猛烈釋放能量，在其周圍“砸”出一個巨大空洞，直徑約為150萬光年，可以裝下15個連成一排的銀河系。該研究成果日前發(fā)表于《天體物理學》雜志上。
文章第一作者、美國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”，足見其由來已久。
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中發(fā)現(xiàn)過類似的空洞，如前文提及的英仙座星系團以及長蛇座 A星系團等。但蛇夫座星系團內(nèi)出現(xiàn)的空洞之大卻是前所未見。他們估計，制造該空洞所需的能量可能是此前已知最大同類空洞所需能量的6倍。10億個太陽發(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)該是活動星系核導(dǎo)致。
活動星系核是指一類中央核區(qū)活動性很強的系外星系核心，活躍而明亮。通常認為，活動星系核的“發(fā)動機”是一個超大質(zhì)量黑洞。黑洞吸引物質(zhì)，在其周圍形成了一圈不停轉(zhuǎn)動的吸積盤。吸積盤中的物質(zhì)不斷落入黑洞，物質(zhì)損失的角動量，以能量的形式被黑洞“吐出”，在吸積盤的垂直方向形成高速噴流。
以往的研究中，無論是英仙座還是其他星系團，人們都能觀測到正在爆發(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”周圍彌散的氣體，造成類似的空洞景象。
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。”中國科學院國家天文臺研究員陸由俊在接受科技日報記者采訪時表示，另一組研究人員當時通過錢德拉太空望遠鏡提供的X射線數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)蛇夫座星系團內(nèi)有一個“奇怪的曲邊”，即空洞的邊緣。但令人疑惑的是，蛇夫座星系團中央黑洞十分黯淡沉寂，并沒有正在爆發(fā)的跡象。另一方面，彼時研究人員認為，制造這一空洞需要的能量太大，因此否認了黑洞爆發(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星系核判為“罪魁禍首”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。”中國科學院國家天文臺研究員陳學雷告訴科技日報記者，2006年的研究主要依賴于X射線數(shù)據(jù)，受限于波段區(qū)域，無法探測到相對論性電子，只能探測到能量相對較低的電子，這些電子的來源既包括星系團中央黑洞爆發(fā)，也包括星系團并合活動等其他天文事件。因此，在當年的研究數(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，謎底的天平會向‘中央黑洞爆發(fā)’這一端傾斜。”陳學雷說。
沉寂寧靜，等待下一輪回
在陳學雷看來，這也許并非是蛇夫座星系團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)過幾千萬年甚至幾億年的長時間積累，才呈現(xiàn)出如今所見的龐大空洞。
遺憾的是，蛇夫座星系團的星系核已經(jīng)變得“懶惰”，中央黑洞也寧靜下來，中央核區(qū)釋放的信號很弱，今后的幾代人也許有生之年都無法領(lǐng)略到蛇夫座星系團中央核區(qū)的“焰火”之美。
是什么原因讓活躍的活動星系核沉寂下來?陳學雷表示，據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)推測，活動星系核活動的時間可能持續(xù)幾千萬到幾億年。星系核活動時需要通過黑洞吸收周圍物質(zhì)產(chǎn)生能量，反過來，黑洞噴流會將周圍的物質(zhì)吹散，久而久之，當黑洞周圍的所有物質(zhì)皆被驅(qū)散到遠處，黑洞便會“餓死”，活動星系核也會沉寂下來。待經(jīng)歷漫長時間的演變，四散的物質(zhì)重新被黑洞吸引，便又開啟了下一個輪回。
“由此可見，活動星系核爆發(fā)之后的沉寂實則是必然，只不過人類幾十年前才具備相應(yīng)的觀測手段，在人類活動的時間尺度上難以觀測到活動星系核爆發(fā)到停止的整個過程。”陳學雷說。
雖然蛇夫座星系團內(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。而這場遠古的爆發(fā)所帶來的影響，遠比我們觀測到的空洞表象深遠得多。
“活動星系核的爆發(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)，而黑洞噴流會將周圍的氣體加熱，一定程度上阻礙了恒星誕生的步伐。這種現(xiàn)象被稱為活動星系核反饋效應(yīng)。
“家族”添丁，更多謎題待解
“此次對蛇夫座星系團的研究，為星系團中活動星系核所致大型空洞現(xiàn)象的‘大家族’擴充了一個案例，對我們研究星系形成過程中的核心環(huán)節(jié)，即活動星系核反饋效應(yīng)，提供了幫助。”陸由俊道。
與以往類似事件不同的是，此次研究人員觀測到蛇夫座星系團內(nèi)部存在一個冷核，冷核周圍到核心的能量從10keV(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。而冷核往往會在黑洞爆發(fā)時被高溫噴流摧毀。
在陸由俊看來，蛇夫座星系團活動星系核爆發(fā)之后進入長時間的沉寂，星系團內(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，此次研究對星系團內(nèi)部加熱、冷卻問題的研究也有所裨益，進而對蛇夫座早期的活動星系核反饋過程有所了解。”
星空浩瀚無比，探索永無止境。
陸由俊表示，針對蛇夫座星系團空洞現(xiàn)象，還有一些問題需要深入的研究。比如，要進一步搞清楚蛇夫座星系團中央黑洞的具體大小，進而可估計出該黑洞能否產(chǎn)生足夠的能量，形成這一龐大空洞。再者，即便能量充足，被眾多星系團團“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，這也是需要進一步論證的。
此次研究利用了澳大利亞默奇森寬場陣列和印度的巨米波射電望遠鏡收集到的射電信息。“隨著低頻射電望遠鏡和更多新型觀測技術(shù)的發(fā)展，相信會有越來越多類似的現(xiàn)象被觀測到，也會有更奇特的天文景觀等待我們?nèi)ネ诰蛱剿鳌?rdquo;陳學雷說。
