深邃又浪漫，人類或許目睹了黑洞的蘇醒

出品：科普中國

作者：李臻臻（中國科學院上海天文臺）、時雪草（上海科技教育出版社）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發(fā)現之旅，認識令人驚嘆的世界。

前段時間，來自歐洲南方天文臺和智利千禧天體物理研究所的天文學家報道，人類可能首次觀測到星系中心超大質量黑洞的“蘇醒”過程。

這個超大質量黑洞位于處女座上一個橢圓星系（SDSS 1335+0728）的中心，距離地球3億光年，質量相當于100萬個太陽。在此前幾十年的觀測中，它一直處于平靜的休眠狀態(tài)。從2019年12月開始，它變得異常活躍，并一直持續(xù)到現在。該發(fā)現以“SDSS 1335+0728：一個百萬倍黑洞質量的蘇醒”為題目，刊登在《天文與天體物理學》科學雜志上。

SDSS 1335+0728星系核心明亮起來

（圖片來源：European Southern Observatory）

黑洞是什么？

黑洞是宇宙中極端引力的產物。?有質量的物體普遍對外界存在著一種吸引的力量，即萬有引力。大質量的天體通過自身強大的引力，可以將周圍的物體束縛在其附近。物體若要逃脫該天體的引力束縛，就需要具備更大的速度。例如，在地球表面發(fā)射一枚火箭，當火箭的速度超過每秒11.2公里，就可以擺脫地球的引力束縛進入太空中。天體對周圍產生的引力越強，要離開它所需要的速度就越大。

如果一個天體的引力足夠強大，以至于連宇宙中運動速度最快的光都無法從中逃離出來，就會被稱為黑洞。

要產生這樣強的引力效應，需要天體的質量很大而半徑很小。在我們的宇宙中，一些大質量的恒星經過演化，最后就會坍縮成一個黑洞，這種黑洞的質量通常是太陽質量的幾倍到幾十倍。而在星系的中心，通常還存在著一個百萬到百億倍太陽質量的超大質量黑洞。這次天文學家研究的就是在一個星系中心的超大質量黑洞。

黑洞概念圖

（圖片源自：uchicago news）

既然黑洞里的光無法逃逸出來，那么我們怎么知道它的存在呢？確實，黑洞自身是無法被我們直接看到的，但黑洞對外界產生的強大引力卻會暴露它的存在。通過跟蹤黑洞對外界產生的影響，人們仍然可以捕獲到黑洞的蹤跡。例如，獲得2020年諾貝爾物理學獎的一項科學成果，就是監(jiān)測到銀河系核心區(qū)域的許多恒星都在圍繞著中心一個位置繞轉，并由此推算出那里應該存在一個質量很大的黑洞。

銀河系核心區(qū)域的恒星圍繞著中心一點繞轉

（圖片來源：參考文獻2）

黑洞的“休眠”與“蘇醒”

圍繞著這種大質量黑洞旋轉的恒星，如果沒有受到其他干擾，它的角動量通常不會損失。物體繞轉產生的向外的離心力，抵抗了黑洞向內的引力，從而達到平衡，物體就不會掉入黑洞。這與月球重復繞地球旋轉而不會掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質保持相安無事，黑洞周圍是一片平靜的狀態(tài)。從觀測者視角看，此時的黑洞像是處在休眠狀態(tài)。

當星系核區(qū)的物質受到某種干擾損失了角動量，由于向外的離心力減小，無法抵抗黑洞向內的引力，物質會落入黑洞。在下落過程，這些物質會形成一個盤狀結構。盤中的物質一邊繞黑洞快速旋轉，一邊逐步落入黑洞中。這個過程被稱為吸積。

物質掉落到黑洞的過程中，會釋放巨大的引力能，并最終通過各種能量形式輻射到宇宙空間中。這個過程所輻射的巨大能量，甚至可以超過整個星系所有恒星輻射的總和，使得星系的核心非常的明亮。此時的黑洞，正處在吞噬周圍物質的活躍狀態(tài)。

星系中心黑洞吞噬周圍外界物質，并向往釋放能量

（圖片來源：Shasthra Snehi）

目前，休眠和活躍這兩種狀態(tài)的黑洞，都已被大量觀測到。但是，這兩種狀態(tài)的切換過程還沒有被明確觀測到。

SDSS 1335+0728帶來的新發(fā)現

2019年12月，天文學家首次發(fā)現SDSS 1335+0728的中心區(qū)域非常明亮。起初，他們以為那只是一個普通的處于活躍狀態(tài)的超大質量黑洞的吸積現象。然而，回顧過去20年對它的長期觀測數據，都沒有發(fā)現它活躍的跡象。也就是說，這個超大質量黑洞在過往一直是休眠狀態(tài)，直到近些年才開始活躍。

從2019年之后，SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征，產生很強的高能X射線、紫外線輻射，以及很強的紅外波段的輻射。對于這一不同尋常的現象，天文學家試圖給出合理的解釋，目前可能性較大的解釋有下面兩種。

一次對恒星的吞噬？

當一顆恒星運行到距離星系中心黑洞過近的位置時，會被黑洞的強大引力撕裂、拉伸成細長的“面條”結構，逐漸掉落到黑洞中。這個過程通常伴隨著短暫的能量釋放，使得原本沉寂的星系中心會由此突然變亮。這種天文現象通常被稱為潮汐瓦解事件。之所以這樣命名，是因為這一過程的原理和我們地球上海水的潮汐現象類似。

我們知道，引力的大小隨著距離的增大而減小。地球上不同位置的海水到月球的距離不同，距離月球較近的海水受到的引力較大，而距離月球較遠的海水受到的引力較小。這種引力差，導致整個海洋產生形變，引發(fā)海水漲落，從而出現我們所看到的潮汐現象。

同樣地，黑洞附近的恒星，其不同位置受到的黑洞引力大小也不相同。恒星距離黑洞越近，這種引力差就越明顯。當恒星過于靠近黑洞時，強大的引力差可以超過恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開來。被撕裂的恒星物質逐步落入黑洞，并發(fā)出強烈的輻射。若此時進行觀測，會發(fā)現星系中心突出變亮。

超大質量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解過程

（圖片來源：HubPages）

近些年，潮汐瓦解事件已經在天文觀測中被多次發(fā)現。那么，此次星系核心的異常變亮現象，能否用這樣的潮汐瓦解事件來解釋呢？

天文學家分析發(fā)現，它在幾個方面并不符合一個典型的潮汐瓦解事件的特征。比如,潮汐瓦解事件所產生的亮度變化一般只持續(xù)幾十天，最多幾百天。而這次的星系核心區(qū)域直到現在還在變亮，距離第一次發(fā)現已經超過4年了。

當然，由于目前人們對潮汐瓦解事件了解得還不夠清楚，我們還不能完全排除這一可能性。也許，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件。例如，被黑洞撕裂的不是一顆恒星，而是附近一個較小的衛(wèi)星星系。如果這確實是一次潮汐瓦解事件，那么它會是人類所知的持續(xù)時間最長、亮度最微弱的潮汐瓦解事件。

有幸目睹了黑洞的蘇醒？

本次觀測到的SDSS 1335+0728的特性，和其他正處在活躍狀態(tài)的星系核并無太大的差異。加利福尼亞理工學院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測，或許這個星系就沒有什么特殊性，我們只是恰巧捕捉到了一個特別的時刻。

宇宙中星系的中心通常都存在著一個超大質量的黑洞。通過觀測發(fā)現，有些星系中心的黑洞處于平靜狀態(tài)，有些則是處于活躍狀態(tài)。統(tǒng)計結果顯示，活躍狀態(tài)黑洞的數量遠少于平靜狀態(tài)的黑洞。這意味著黑洞處于活躍狀態(tài)的時間只占少部分。

如果把星系中心的超大質量黑洞比作一只巨獸，那么這只巨獸在大部分時間里處于沒有食物可吃的休眠狀態(tài)，而只有少部分時間處于捕食進餐的活躍階段。當食物被吃光消化后，它再次恢復到平靜狀態(tài)。

如果星系中心的黑洞都要經歷一次或多次從平靜狀態(tài)進入活躍狀態(tài)，再回到平靜狀態(tài)的周期轉換，那么這些狀態(tài)的轉換過程，為什么沒有被人們廣泛觀測到呢？這是因為黑洞某個狀態(tài)所持續(xù)的時間（典型時標在百萬年），相對于人類有限的現代天文觀測歷史（不足百年）來說是非常漫長的。或者說，人類目前的觀測只能目睹整個黑洞演化歷程中某個短暫的瞬間。

只有當這個瞬間恰好對應于黑洞從休眠狀態(tài)向活躍狀態(tài)剛剛啟動的時刻，我們才有機會目睹黑洞的蘇醒。在這個時間節(jié)點附近觀測，我們有限的觀測歷史，既可以覆蓋到黑洞的休眠階段，又能覆蓋到黑洞的活躍階段。而這樣的關鍵時刻自然是不容易碰到的，這或許就是之前一直沒有被人們看到的原因。

結語

現在，天文學家依然在持續(xù)關注這個超大質量黑洞，準備利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡對它進行更深入的后續(xù)觀測研究，以徹底弄清它異?；钴S的原因。這將有助于預測未來它將重歸平靜還是繼續(xù)活躍，并加深我們對星系中心超大質量黑洞的生長和演化過程的認識。

參考文獻：

1. Sánchez-Sáez et al. (2024); SDSS1335+0728: The awakening of a ～106M⊙ black hole

2. Genzel, Eisenhauer & Gillessen (2010); The Galactic Center massive black hole and nuclear star cluster