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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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哈尼天体——类星体的绿色幽灵

2017-12-05 14:37:00

  1999年7月23日,钱德拉太空望远镜成功升空,作为人类的“眼睛”观测着宇宙空间。作为一类特殊天体,黑洞一直是钱德拉太空望远镜的重要观测目标,但在一个遥远且超大质量黑洞周围,科学家却发现了一个奇特的“天文奇景”——“宇宙幽灵”。

  科学家表示,这个奇怪的天体产生了超乎寻常的高能量。他们认为,这是由黑洞喷射的放射物质所形成的,而这些物质在逐渐消失之后仍弥漫着X射线物质,从而形成了诡异的“宇宙幽灵”。

  小星系里住着大黑洞

  上世纪六十年代,天文学家发现了一种特殊天体。它们在遥远的宇宙边缘,快速地向宇宙外侧奔跑,其速度极快,几乎能达到光速的一半。这种奇怪的天体被人们称为“类星体”。它就是个三不像——从照片图像上看,它像恒星但又肯定不是恒星;从光谱像上看,它像星云但又肯定不是星云;从无线电辐射像上看,它像星系但又肯定不是星系。

  类星体还有一个奇特之处,就是从释放能量的多少来看,它们肯定能跻身星系一级的天体之列,其能量甚至是不少普通星系的千倍以上。类星体的超常亮度能使光能在100亿光年外被观测到。但是,它的体积又比星系小得多,只有星系大小的几十万分之一,甚至能被塞进太阳系里。一般来说,在宇宙空间中,体积越大的天体往往拥有越大的能量,为何类星体小小的躯体内会蕴藏着如此巨大的能量,它的能量又是从哪里来的?长期以来,这些问题让天文学家困惑不解。

  有人认为,那里的巨大恒星很多,它们连续发生超新星爆炸导致了这些能量的产生;还有人认为,那里的恒星数量多,会连续碰撞产生能量;但最靠谱的说法还是和黑洞有关。

  论起知名度,类星体当然赶不上黑洞,但要是论神秘性,类星体绝对不输于黑洞。越来越多的证据表明,类星体实际上是一类活动星系核,在星系的核心位置有一个超大质量的黑洞。类星体并不大,但是黑洞却很大。也就是说,小星系里面居住着一个大黑洞,而黑洞在里面兴风作浪。在黑洞的强大引力作用下,附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围,形成了一个高速旋转的巨大吸积盘。

  吸积盘旋转缠绕,在最中心的区域,物质源源不断地落入黑洞,并伴随着巨大的能量辐射,形成了物质喷流,向吸积盘上下两侧喷涌。如果这些喷流刚好正对着地球,那我们就能观测到类星体,也就能看到它所发出的不可思议的能量了。

  星系动物园里的青蛙

  也许你会认为,只有当类星体的能量在喷发时,我们才能观测到它。之前,许多天文学家也是这样认为的。不过,我们现在需要改变这种认识。事实上,它在不喷发能量的时候,我们还是能“看见它”,只不过无法看到它的“真身”,只能看见它的“幽灵幻象”。来自荷兰的一位普通女教师哈尼·范·阿克尔就首先发现了这样的“幽灵”。

  哈尼并非天文学家,充其量只能算是个天文学爱好者。2007年,她参加了一个名为“星系动物园”的项目。该项目计划从庞大的数据库中寻找目标,从星系的颜色和外形入手,对星系进行区别和分类。这个数据库由斯隆数字化巡天项目建立,目的是对天空中的星系、类星体等各种目标,做一次精细普查。不过,数据库的数据量是相当庞大的,专业的天文学家根本没有时间和精力处理这么多的信息,于是研究人员想出了一个好办法,建立了“星系动物园”项目,热忱邀请全世界对天文学感兴趣的人都来参与。

  哈尼参加这个项目不久,就发现了一个奇怪的现象。在旋涡星IC 2497旁边,黑暗的星空中漂浮着一个绿色的斑块,看起来就像是一只绿色的青蛙。它正在撑开后腿奋力地游向前方光明的地方,而前方就是一个巨大明亮的星系。这是一个让人费解的图像,这个绿色斑块也因为哈尼的发现而被称为“哈尼天体”。

  这个像青蛙一样的哈尼天体其实是一团气体,它不像是星系中的物质,且距离星系有上万光年的距离。

  “星系动物园”里突然冒出了一个“青蛙”,这个消息迅速传遍了天文学界,而项目本身的参与者也开始了查找工作。很快,他们便陆陆续续地发现了上百个这样绿色的星系,而这些发现也吸引了美国宇航局和欧洲空间局的关注。由这两家机构共同管理的哈勃空间望远镜为此拍摄了一批纤弱的绿色发光天体。这些发光结构有环状的、螺旋状的,还有像辫子那样缠绕形状的。并且,它们也处在星系的外侧,距离星系中心几千到几万光年。

  这么多绿色气体出现在星系外侧,绝对不是巧合!因此,越来越多的观测机构、天文学家都对哈尼天体产生了浓厚的兴趣,共同探讨“绿色幽灵”的秘密。

  目前,天文学家普遍认为,类似的星系可能都发生过某些不为人知的剧烈活动。在活动期间喷发出大量气体,而这些气体则弥漫在星系周围,继续扩散,最终到达星系边缘。还有一些人则认为,这些绿色的丝状气体结构是两个星系在合并过程中,被引力作用扯断的潮汐尾,这些庞大的潮汐尾绵延上万光年,在星系合并结束后,仍长期围绕宿主星系缓慢旋转着。

  绿色是被电离的氧原子

  其实,目前困扰天文学家的第一难题倒不是星系边缘出现的气体,毕竟他们已经想到了好几种可能,而是至今还没有人能解释这些气体为何是绿色的。

  绿色是我们这个星球上代表生命的颜色。植物是绿色的,矿物也可以是绿色的,甚至湖水也可能是绿色的。但在宇宙中,我们能看到的星系却不可能是绿色的。由于量子力学和人类视觉的局限性,我们仅仅能够感知到红、橙、黄、白、淡蓝这几个颜色,没有哪个星球的绿色能够亮到人眼可见的地步。因此,在过去很长一段时间里,天文学家猜测,星球聚集的星系是不会出现绿色的。但是,哈尼天体却呈现出了绿色!

  科学家认为,哈尼天体所显现的绿色是电离氧原子的颜色。其实,在地球上也会出现这个情况——在高纬度地区,氧原子偶尔会经受来自太阳带电颗粒的扰动,而为地球的天空点缀上绿色的极光,极光中的绿色就是氧原子显现出来的。但是,氧原子被电离只能发生在很小的区域内,要想把遥远星系边缘的氧原子电离变成绿色,那几乎是不可能的。

  星系的能量极少,它们并没有能力电离星系外侧的氧原子,但是类星体就有这个能量。类星体居住在星系核的中心,只不过我们不知道它是类星体,或者说它是已经不再活动的类星体罢了,而它们曾经的活跃,造就了这些“绿色幽灵”。

  在新一轮查找中,科学家又找到了8个类似的哈尼天体。这些星系的能量都很小,根本达不到电离氧原子的能量(只有所需电离能量的十分之一)。所以,电离的能量绝不可能来自星系本身,只有可能来自居住在星系核中的类星体。

  宇宙中的绿色灯塔

  类星体都是极度活跃的星系核,它们拥有的能量比其所在星系高得多。不少人怀疑,也许类星体本身就是一类黑洞。它们盘踞在星系中心,吞噬周围的物质,同时发出热量,热到能发出强烈的辐射。而这些辐射,就会像探照灯那样照射着星系。

  在这些光束中,紫外线是最重要的成员,它能将其他尘埃电离。紫外线以光速行走,奔向星系的边缘,经历成千上万年后达到合并星系的边缘,将星系外侧的气体物质电离。于是,尘埃物质里包含的氧原子也就变成了绿色,哈尼天体也就出现了。星系中心类星体的能量是极大的,也只有它们的能量才能把这么遥远的气体电离,致其呈现出幽灵般的绿色。

  但是,这些绿色的存在仅仅是一瞬间。当星系边缘的氧元素被电离成为绿色时,在星系的核心,剧烈的活动就已经停止了。让氧原子继续被电离,继续保持绿色已经不可能。因此,这些星系边缘的绿色就像是幽灵那样一闪而过,它们的存在时间只有几千年——相对于星系的寿命来说,也就是一瞬间。

  原来,是遥远星系中心的类星体导演了这一切。虽然它们已经不再喷发,但是这些星系边缘徘徊的绿色斑块就是它们的幽灵。我们无法断言类星体已经死亡,它们还在那里,或许只是暂时休眠罢了。

  这些“绿色幽灵”就像是一群诚实的记录者,告诉我们那里刚刚发生了大型的吞噬行为;它们又像是优雅的艺术家,绚丽地展现着类星体的强大能量;它们更像是人类的探测器,为我们指引着宇宙深空的奥秘所在——看,绿光就在那里!

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