宇宙怎麼了?星系每114天閃光一次,科學家終於找到答案

2021-01-18 網易科技

作者 | 辰辰

出品 | 網易科技《知否》欄目組（公眾號：tech_163） 

一個距離地球5.7億光年遠的星系，大約每隔114天，就會像煙花一樣發出閃光，這幾乎像設定好的鬧鐘一樣準時。至少從2014年開始，有天文臺就記錄下這種奇異現象。而如今，天文學家們通過拼湊的零碎信息找出了原因。

這個奇怪的星系被命名為ESO 253-G003。在星系中心，有一顆恆星正圍繞著超大質量黑洞運轉。每隔114天，兩者之間的距離就接近到足以使黑洞將恆星的一些物質吸走，從而產生跨越多個波段的明亮閃光。然後恆星離黑洞又越來越遠，直至下次再次接近黑洞，又有部分物質被吸走點亮。由於閃光發生的規律性，天文學家給這個星系取了個「老忠實」的綽號。


這項研究的第一作者，夏威夷大學天文學家安娜·佩恩（Anna Payne）說，「這些是我們從星系中心觀察到的最具規律性且發生最頻繁的多波段閃光，這為我們研究『老忠實』這個星系提供了獨特機遇。」

佩恩補充說，「我們認為，星系中心的超大質量黑洞造成了爆炸，因為它正在吞噬繞其運行的巨型恆星的部分物質。」

2014年11月，全天候超新星自動搜索系統(ASAS-SN)首次探測到了這些閃光。當時，天文學家認為這種現象源自ESO 253-G003星系中的超新星。

但在2020年，當佩恩在查看ASAS-SN上有關ESO 253-G003的數據時，她發現了來自同一處的多個閃光。

佩恩總共整理出了17次閃光發生，每次間隔約為114天。她和團隊隨後預測該星系將在2020年5月17日、9月7日和12月26日再次爆發閃光，結果如期所至。

研究人員將重複爆發的閃光命名為ASASSN-14ko，這種有規律的現象意味著他們能夠用美國國家航空航天局（NASA）強大的凌日外行星勘測衛星（TESS）對去年5月份發生的閃光進行更詳盡的觀測。在此之前，其他儀器的觀測結果已經為研究人員提供了不同波長範圍內的數據。

俄亥俄州立大學天文學家派屈克·瓦萊利（Patrick Vallely）表示，「TESS提供了一幅關於星系特殊閃光的詳盡照片，但由於該衛星探測太空的特殊方式，其無法觀察到所有爆發的閃光。」瓦萊利指的是TESS只能對著一個區域觀測27天。「而ASAS-SN雖然收集到的閃光爆發細節較少，但涵蓋範圍較廣，這在對特殊閃光的觀測中至關重要。這兩種研究方式能夠相互補充。」

研究人員最初推測，由於超新星爆發會破壞原有恆星，因此只會在夜空中閃爍一次，然後就消失了，因為這樣的事件會摧毀最初的恆星；所以在可見光、紫外線以及X射線波段反覆產生亮光的一定是其他什麼東西。


其實，這並不是第一次發現因超大質量黑洞吞噬恆星而產生規律性的閃光。去年就發現了一個周期為9小時的類似閃光。但ESO 253-G003的情況更特殊。

這是因為研究人員發現，ESO 253-G003實際上是兩個處於合併最後階段的星系，這意味著星系中心應該有兩個超大質量黑洞。

有研究表明兩個相互作用的超大質量黑洞可以導致閃光反覆發生。但是研究人員通過觀測認為，ESO 253-G003中心的兩個超大質量黑洞距離太遠，還不足以反覆產生閃光。

另一種可能性是，黑洞在吞噬物質時會形成吸積盤，而一顆恆星在圍繞黑洞運行的過程中反覆穿越吸積盤，從而產生耀眼的光芒。但研究人員也排除了這一點。因為如果這顆恆星以不同的位置和角度穿越吸積盤時，其每次產生的閃光應有所不同；但觀測結果表明，來自ESO 253-G003星系中心的閃光幾乎完全一致。

第三種可能是反覆發生的潮汐破壞事件。具體的說，就是一個較大質量天體不斷從繞其運轉的較小天體上剝離物質。

研究人員推測，如果一顆恆星沿著偏心軌道繞黑洞運行，而公轉周期正好是114天，那麼當它接近黑洞時就會產生潮汐破壞事件，恆星的部分物質被黑洞剝離，恆星繼續繞黑洞運行。

當這些剝離物質與吸積盤中的物質發生碰撞時，就會產生閃光。這似乎就是ESO 253-G003星系正在發生的事情。

考慮到這種情況，研究小組深入分析了觀測結果。他們研究了每個閃光的光曲線，並與其他已知的黑洞潮汐破壞事件進行了比較。他們確定，這顆恆星很可能繞著一個質量相當於7800萬個太陽的超大質量黑洞運轉。

在每一次接近黑洞的時候，這顆恆星都會損失約0.003個太陽質量(也就是3個木星的質量)，這足以形成天文學家能夠觀測到的閃光，同時讓這顆恆星繼續存在下去。

「如果一個帶有膨脹外層的恆星沿著非常狹長的軌道運行，當其距離黑洞足夠近、但也不是太近的情況下，黑洞就會剝離一些物質，且不會撕裂整個恆星。」夏威夷大學天文學院天文學家班傑明·夏皮（Benjamin Shappee）說。「在這種情況下，這顆巨大的恆星會一次又一次地返回，直至消耗殆盡。」

目前尚不清楚恆星和黑洞的這種現狀已經持續了多久時間，因此很難計算出這顆恆星還能存活多久。但是研究團隊已經預測出接下來的兩次閃光發生時間分別在今年的4月份和8月份，研究人員計劃對其進行更多的觀測。

這是了解超大質量黑洞質量吸積的極難得機會。

俄亥俄州立大學天文學家克裡斯·斯坦內克（Kris Stanek）說:「總的來說，我們真的很想了解這些黑洞的性質以及它們是如何成長的。」「準確預測下一事件發生時間的能力，讓我們能夠獲取原本無法獲取的數據，而且我們已經有所收穫。」（辰辰）

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本文來源：知否 責任編輯： 秦一晗_NBJS12572

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