科學家確認超高能射線源頭，其成長速度令人驚訝

譯文：林景明

來源：ScienceDaily

責編：魏玲海

審校：鄭永春

當宇宙尚處於年青歲月時，一個超大質量的黑洞，噴射出一股攜帶能量的粒子流，以接近光速的速度穿越空間。數十億年後，科學家捕捉粒子流攜帶的信息，確認這個黑洞與其它類似的黑洞，年齡介於14億歲到19億歲之間。

在一個活躍星系的中央，物質跌入其超大質量黑洞內，產生接近光速的粒子流（Credit：NASA's Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio）

數十億年前，當時的宇宙尚處青蔥歲月，一個超大質量的黑洞積聚了能量，噴射出一股粒子流，以接近光速的速度在太空中穿行。

數十億年後，克萊姆森大學理學院天體物理學家馬科·阿吉洛領導的三人科學小組，確認了這個黑洞與其它類似的黑洞，年齡介於14億歲到19億歲之間。這些天體發射出大量的伽馬射線，這是電磁波譜中最高能量的射線，比肉眼可見光的能量還高數十億倍。

先前已知最早的伽馬射線耀變體，其強烈的發射，源自那些年齡超過20億歲的怪異黑洞噴射出強大的相對論性質的噴流。目前，我們估計宇宙的年齡約為140億歲。

「發現這些超大質量黑洞在一秒鐘內發射的能量，比太陽在整個生命周期發射的能量更勝一籌，這是長達一年研究項目所獲得的結果，」阿吉洛說道，在他的職業生涯中，他花費了很多精力研究學習遙遠星系的演化。「我們下一步要做的是，增加我們對這些奇異天體的形成、演化和活動機制的理解，這些天體是宇宙中最強大的加速器，我們甚至無法在實驗室內複製出這樣強大的能量輸出器，它們的複雜性看起來幾乎與黑洞同樣神秘。」

阿吉洛、以及克萊姆森大學的博士後懷德希·帕利亞、博士生里亞·馬科圖利一起合作，進行了這項研究。他們與費米望遠鏡組織密切合作，組建了一個國際科學家團隊，其中包括美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的天文學家羅門斯·奧哈、義大利航天局的達力奧·伽斯帕里尼。

克萊姆森團隊的突破，得益於他們開發的軟體在費米伽馬射線望遠鏡上的運作，更新後的軟體顯著提高瞭望遠鏡的靈敏度，能帶來更多發現。

「人們稱讚這是歷史上最廉價的翻新。」阿吉洛說，「通常對於哈勃太空望遠鏡而言，美國國家航空航天局不得不派宇航員到太空中更換零部件，提高觀測能力。但在這種情況下，他們需要到環繞地球的軌道上進行維護工作。同樣重要的是，這種改進是追溯性的，意味著過去六年所獲得的數據需要完全重新處理，這提示我們，需要先完成第一步工作，並在研究過程中努力改進。」

阿吉洛利用費米伽馬射線望遠鏡獲得的數據，開始編輯一個擁有140萬個類星體的星表，類星體的中央藏匿著活躍的超大質量黑洞。在一年時間裡，他們將搜索範圍縮小到1,100個天體。其中五個被最終確定為新近發現的，是最遙遠、最年輕、曾被確認的伽馬射線耀變體。

「我們利用自己的濾鏡與其它設備進行檢測後，留下了大約1,100個來源。然後我們對所有這些源進行診斷，並將範圍縮小到25到30個來源，」帕利亞說，「但是，我們必須確認檢測到的源是科學而真實的。因此，我們進行了一些其它的模擬，並能夠導出它們的屬性，比如黑洞的質量、噴射功率，最終，我們確認這五個來源，確實源自伽馬射線耀變體，最遠的一個已經約14億歲了。」

博士生馬科圖利在2016年加入阿吉洛的研究團隊，她利用核光譜望遠鏡陣列獲得的圖像和數據，研究耀變體的機制。最先，馬科圖利的工作是了解接近我們的伽馬射線耀變體的發射機制，現在她的注意力轉向最遙遠的天體，尋覓它們如此強大的機制。

「我們試圖通過物理模型，來了解這些天體能量分布的全部頻譜，」馬科圖利說，「我們現在能夠比以前設計得更好，從而更精確地進行模擬，最終我們能更好地了解這些噴流在宇宙中穿行歷經了哪些進程，哪些粒子正在輻射我們看到的所有能量。它們是電子？還是質子？它們如何與周圍光子相互作用？目前還沒有完全理解這些參數，但每一天我們都在加深理解。」

所有星系的中央都有黑洞，一些活躍的黑洞由其周圍物質餵養，其它黑洞相對處於休眠狀態。銀河系中央有個超大質量黑洞，目前處於休眠狀態。阿吉洛說，在今天的宇宙中，10個黑洞中只有一個是活躍的，但在宇宙更年輕的時候，這樣的比率接近1:1.

新近發現的五個位於耀變體星系中央的超大質量黑洞，是已經觀測到的一類最大黑洞，它們的質量是太陽質量的數十萬倍到數十億倍之間。與它們相伴的吸積盤，發射的能量是太陽的兩兆餘倍。

阿吉洛團隊中最令人驚訝的一個問題是為何這些黑洞成長這麼迅速，通過測量，發現這些超大尺寸的黑洞僅需14億年，就足以長大。但是，根據目前有關黑洞成長的知識，14億年的時光幾乎不足以讓一個黑洞成長到阿吉洛團隊所發現的任何一個黑洞那樣的程度。

「這些難以理解的巨大身形與能量充足的黑洞，怎麼成長得這麼快？」阿吉洛說，「難道是因為一個黑洞在很長時間內一直都在進食？或者也許是因為它碰到了其它黑洞，然後合并成一個黑洞？老實說，我們沒有觀測到支持任意一個猜測的實例。還有謎題有待我們揭開。當我們最終解決它們時，我們將會了解更多令人驚訝的事情。比如，宇宙是如何誕生的？如何成長並變成現在這個模樣？當它邁入老年時又會如何？」

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170228084304.htm

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