黑洞的轨道上有个甜甜圈？射电天文学为我们揭开射电星系的神秘面纱

大小不一的“瓣”，闪烁的“婴儿”，射电星系中正在发生什么？

（图片来源：海洛创意-Shutterstock[1]）

本文最早在解释型新闻网（The Conversation）[2]上发布，随后站方将这篇文章投稿至Space.com的“专家之声：评论和见解”（Expert Voices: Op-Ed & Insights）一栏。

凯瑟琳·罗斯（Kathryn Ross），博士，科廷大学。

娜塔莎·赫尔利·沃克（Natasha Hurley-Walker），射电天文学家，科廷大学。

我们已经从深空的射电图像中找到了数百个正处于婴儿时期的超大质量黑洞，星系中的光线在它们周围发生了让人难以置信的扭曲。

星系是巨大的宇宙天体，由气体、尘埃和恒星组成（就像我们的太阳），它们的大小通常能达到几千甚至几万光年。

在知道这些星系的大小的情况下，你也许会认为它们发出的光线会缓慢而稳定地变化，其时间尺度将远长于一个普通人类的寿命。

但是我们发表在《皇家天文学会月刊》[4]（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上的研究发现，有些星系中光线变化的速度非常快，只需要几年时间，而且这类星系的数量之多远超我们的想象。

什么是射电星系？

天文学家认为，大多数星系的中心都有一个超大质量的黑洞。其中一些黑洞十分活跃，它们会发出大量的幅射。

黑洞那强大的引力场会将周围的一切物质拖进其中，将它们撕碎后形成一个由热等离子体[5]构成的吸积盘[6]——就像一个轨道上的甜甜圈。

这个圆盘以接近光速的速度绕黑洞运行，圆盘的磁场将其中的高能粒子加速成一束束沿着黑洞轴向的细长“喷流”（jets）。随着粒子与黑洞间的距离越来越远，这些喷流会逐渐扩散开来变成巨大的蘑菇状云或“瓣状结构”（lobes）[7]。

（图解：射电星系大力神A的中心有一个活跃的超大质量黑洞。图为黑洞发射的高能粒子流最后逐渐扩散成瓣状结构。图片来源：NASA，ESA，S. Baum & C. O’Dea(RIT)，R. Perley & W. Cotton(NRAO/AUI/NSF)，and the Hubble Heritage Team(STScl/AURA)）

这整个结构构成了射电星系[8]，而它之所以被如此命名就是因为它会释放出大量的射频辐射[9]。射电星系可能横跨了数百、数千甚至数百万光年的尺度，因此需要数亿年才能展现出一些较为剧烈的变化。

天文学家有一个一直以来的疑问：为什么有些射电星系拥有巨大的瓣状结构，而另一些射电星系的双瓣结构体积却十分有限？现有两种理论对这个问题作出了解释。其中一种理论认为粒子喷流受到了黑洞周围密集的物质的阻挡，从而形成了体积相对较小的“受挫瓣”。

然而，这种现象的一些细节仍然是未知的。我们目前还不清楚这些瓣状结构是否只是暂时被它周围体积小而密度极高的环境给困住了，还是说它们正缓慢地穿过一个更大而密度较小的空间。

另一种理论给出的解释是小体积的瓣状结构是粒子喷流还未完全扩散至更远距离时的早期表现。

红色的老年星系与蓝色的新生星系

无论一个射电星系的年龄是大是小，我们都可以通过现代射电天文学的巧妙运用来辨别——观察它们的“射电颜色”。

我们查看了默奇森大射电阵（Murchison Widefield Array, MWA）的银河系以及河外星系GLEAM全天巡视数据，这些数据展示了20种不同无线电频率下的天空，为天文学家提供了一幅前所未有的天空射电图像。

在射电图像中，新生的射电星系将呈现蓝色，这意味着它们在射电频率越高时亮度越高。与此同时，一些年纪较大或濒临死亡的射电星系会呈现红色，即意味着它们在射电频率较低时更为明亮。

过去我们已经发现了554个新生射电星系。但当我们将时隔一年拍摄的相同数据和图像进行对比时，我们惊讶地发现其中有123颗的亮度在反复波动，仿佛是这些星系在闪烁一般。这成为了我们心中的一个谜题。

大小在一光年以上的物体不可能在不到一年的时间内亮度发生如此大的变化，而不违背任何物理定律。所以，要么是因为我们找到的星系远比预期的小，要么就是发生了其他事情。

幸运的是，我们有找到答案所需要的数据。

过去对射电星系变化特征的研究通常是针对少量星系，或使用从多架不同望远镜收集的档案数据，抑或是仅在单一频率下进行的。

在我们的研究中，我们在一年内通过多种射电频率观测了21000个以上的星系。这是首次“光谱变化”观测，使我们能够看到星系在不同频率下的亮度是如何变化的。

一些不断波动的年轻的射电星系在一年的时间里发生了翻天覆地的变化，以至于我们怀疑它们根本就像婴儿一样，也有可能这些致密的射电星系其实是正值青春期的少年，正在以远比我们想象更快的速度长大成人。

虽然大多数可变星系的亮度在不同射电颜色上的增减幅度大致相同，但也有一些特立独行的星系存在。此外，还有51个星系在亮度和颜色上同时发生了变化，这也许是造成这种特征的一个线索。

成因的三种可能

闪烁的星系

来自恒星的光线穿过地球大气层时会发生扭曲，这就产生了我们在夜空中看到的星星闪烁的效果，我们称之为“闪烁”（scintillation）。在本次观测中，射电星系发出的光线穿过银河系之后，才到达了我们地球上的望远镜。

因此，我们星系中的气体和尘埃可能以同样的方式使光线发生了扭曲，从而产生了闪烁的效果。

耀变体

在我们的三维宇宙中，有时黑洞会直接向地球发射高能粒子，这样的射电星系被称作“耀变体”（blazar）[11]。

这时我们不会看到细长的粒子流和巨大的蘑菇状瓣状结构，而会看到一个呈极小的亮点状的耀变体。它们能在短时间内展现出极强的变化性，因为超大质量黑洞周围发生的任何一次小型喷射，其产生的物质都会直接指向我们。

黑洞打嗝

当星系中心的超大质量黑洞像“打嗝”似的释放出一些多余的粒子时，它们会形成一个粒子团，沿着喷流缓慢地移动。随着粒子团向外扩散，我们会首先在“射电蓝”中检测到它，然后再在“射电红”中检测到它。

展望

这是我们首次在技术上有能力对多种射电颜色进行大规模的变化特征观测，结果表明，我们对射电天空的认识还不够充分，也许射电星系远比我们预期的更有活力。

（图源：SKAO/CRAR/SARAO）

随着新一代望远镜投入使用，特别是平方千米阵列（Square Kilometre Array, SKA）[12]，天文学家将在之后数年的时间里建立起天空的动态图像。

与此同时，观察这些行为怪异的射电星系，并且特别关注这些不断波动的“婴儿”，也有着重要的意义和价值。

BY:Natasha Hurley-Walker

FY:赵若彤

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