這個意外消失的類星體，讓全球天文學家集體懷疑人生

天文學家斯蒂芬妮·拉馬薩（Stephanie LaMassa）一開始大惑不解，後來才終於頓悟。她盯著電腦屏幕上的兩張圖像，它們都是關於同一個天體，然而卻完全不同。

第一張圖像是由斯隆數字化巡天（SDSS）望遠鏡在2000年拍攝到的，它看上去像是一個典型的類星體：那是一個極端明亮和遙遠的天體，它的動力來自星系中心的飢餓超大質量黑洞；它是藍色的，這意味著它發出的光線峰寬很寬。但是，在2010年觀測獲得的第二張圖像中，它的亮度只有之前的十分之一，並且沒有表現出相同的峰寬。

這個旋轉著墜入超大質量黑洞的炙熱吸積盤綿延數萬億公里，它怎麼會突然停下來？

那個類星體似乎消失了，只留下一個星系在那裡。

拉馬薩當時心想，那是不可能的。儘管類星體確實會熄滅，演化成單純的星系，但那個過程需要1萬年或更長的時間。而這個類星體似乎不到十年就消失了，在宇宙尺度中，十年只相當於一眨眼。

任職於空間望遠鏡研究所（STScI）的拉馬薩對此百思不得其解。在2014年做出這項發現之前，她和其他很多人一樣都認為類星體是相對穩定的。「然後，你在有生之年就目睹了這些巨大的變化，真是太酷了。」拉馬薩說道。

天文學家的困惑變成了興奮，由此開始搜尋更多這類奇怪現象。儘管天文學家此前觀測到過不那麼明亮的類星體，但他們想知道拉馬薩看到的這種巨大變化是否常見。這不是一項簡單的任務，因為巡天望遠鏡往往不會再回過頭去觀測之前已經觀測過的天體。不過，天文學家檢索了檔案數據，並發現了50-100個所謂的「變臉類星體」（changing-look quasars）。其中一些比拉馬薩發現的那個暗淡許多，還有一些在一兩個月的時間裡發生了變化，甚至有一些在消失之後再次出現。

「顯然，我們以前沒有發現這些天體，是因為我們沒有尋找過它們，」來自伊利諾伊大學（University of Illinois）的天文學家埃里克·摩根森（Eric Morganson）說道。

但是，類星體是太空中的超明亮「燈塔」，由質量相當於數百萬個太陽的黑洞吸積規模可跟太陽系匹敵的氣體和塵埃環帶形成,如此巨大的天體怎麼會如此迅速地熄滅呢？起初，天文學家拒絕相信類星體可以做到這一點，他們認為那些天體根本不是類星體，而是偽裝成類星體的超新星或閃爍的恆星。又或者，我們的視線暫時被塵埃雲遮擋住了。

不過，這些想法在很大程度上跟天文學家的觀測結果並不相符。在過去的一年中，一些觀測任務更加密切地關注了那些天體系統，最終得到的詳細結果表明吸積盤似乎在閃爍——吸積盤是圍繞著黑洞的炙熱物質環帶，類星體之所以如此明亮正是得益於它們。與此同時，理論天體物理學家為解釋這種現象的發生機制提出了種種猜想。「這整個系統，如此龐大的系統，正在如此迅速地發生變化，實在有點瘋狂。」摩根森說道。

黑洞二重身

在過去的四年中，天文學家一直試圖用儘可能簡單的理論來理解變臉類星體。首先，這意味著他們要找到不需要吸積盤發生徹底變化的場景。

要理解其中的原因，我們不妨考慮一下這些天體系統的大小。如果我們可以在太陽系的上面放置一個類星體，那麼超大質量黑洞將會吞噬太陽；與此同時，黑洞的吸積盤將會向外延伸，半徑將是地球到太陽距離的數萬倍。要讓這樣的類星體熄滅，那麼所有這些物質都必須向內旋轉著墜入黑洞——根據天文學家的計算乃至實際觀測，這個過程應該耗時數萬到數十萬年之久。

「吸積過程不可能像我們觀測到的那樣迅速停止,」哈佛-史密森尼天體物理學中心（CfA）的天體物理學家保羅·格林（Paul Green）說，「這在物理學上根本講不通。」

所以，天文學家考慮了其他可能性。當拉馬薩一開始在2014年取得這項驚人發現時，她假定有一團巨大的塵埃雲飄到了類星體的明亮燈塔前，暫時性地阻擋了它的光線。但當她和同事試圖對這種場景進行建模時，他們發現只有在存在多團塵埃雲的高度複雜情形下才能重現觀測結果。出現那種情形的可能性實在太小了。此外，任何變化都不是幾年時間就能完成的。

斯蒂芬妮·拉馬薩現在任職於空間望遠鏡研究所，她在2014年首次發現了變臉類星體。自那以後，天文學家又發現了數十個這樣的天體。

其他天文學家則想到，那些天體或許根本不是類星體。

2015年，德國馬克斯-普朗克地外物理研究所（MPE）的安德里亞·默洛尼（Andrea Merloni）提出，或許拉馬薩發現的天體其實是一顆恆星，它過於靠近黑洞，以至於被撕裂開來，形成了明亮的耀斑。類似地，還有一些人認為，那個所謂的類星體實際上是能量強大的超新星。

在這兩種可能性中，天體的亮度都會超過其所在的宿主星系，這跟類星體的情況類似；而且天體甚至可能發出波長跟類星體相似的光線。再有就是，來自這類天文事件的光線會在幾個月到幾年的時間裡消失，從而跟變臉類星體發生變化的時間尺度相吻合。但問題在於，那些光線的減弱必定帶有一種獨有的特徵，而這是天文學家未能觀測到的。

因此，近來研究人員又把視線重新投向類星體，他們得到了幾項新研究的助力，這些研究對吸積盤的物質環帶進行了探索。

2017年，來自中國科技大學的天文學家盛振峰及其同事用可見光和紅外光對多個類星體進行了檢驗。這兩種波段讓該團隊不僅得以觀測每個類星體的吸積盤，更看到了吸積盤的環面（即圍繞著吸積盤的塵埃雲圓環，形似甜甜圈）。

那很重要，因為發光的吸積盤會把可見光發送到黑暗的環面，光線會在那裡被吸收並以紅外光的形式被重新發射出來。因此，吸積盤中的任何變化之後都會在環面中引起「迴響」。盛振峰及其同事正是觀測到了這樣的「迴響」（其他一些研究也有相同的發現），他們由此得出結論：這必然是流經吸積盤的物質數量發生變化的標誌。

這種改頭換面的變化是如何發生的，這仍然存在爭議，但天文學家近來提出了多種假說。

吃了一半的自助餐

情況有可能是，要讓類星體熄滅，吸積盤中的物質不一定需要被清除乾淨。理解這一點的一種方法是把吸積盤分解成不同的組成部分：明亮的內部區域，以及被內部區域照亮的暗淡外部區域。這樣一來，如果黑洞吞噬了內部區域的物質（這個過程可能耗時僅僅幾個月），那麼吸積盤的內層就會消失，沒有明亮的內層「燈塔」，吸積盤的外層也會暗淡下來，這就像太陽的死亡會導致月亮不再發光一樣。

「我們把這些想成是飢腸轆轆的傢伙去吃自助餐，」摩根森說，「如果它們面前擁有無限量的食物，它們只會儘可能快地進食，然後保持相對穩定的速度。然而我們卻反而發現，當食物還在那裡的時候，它們就停下來休息了。」

或者，情況還有可能是吸積盤的形狀發生了改變。這聽起來很瘋狂，但今年天文學家對兩個不同的類星體進行了研究，並且發現了為這一基於另一種「迴響」的理論提供支持的證據。在兩個類星體中，首先消失的是紫外線和藍色光線，然後是綠色光線，最後是紅色光線，這個序列遵循的是從光譜的最高能量到最低能量。因此，它看上去就像從吸積盤內層傳遞到外層的波動變化。「某些東西導致吸積盤從內到外變暗了，」美國自然歷史博物館（AMNH）的天體物理學家巴里·麥克爾南（Barry McKernan）說道。

由於有色光線沒有完全消失，研究人員並不認為吸積盤內層完全被黑洞吞噬掉了。相反，他們認為一道來自超大質量黑洞的冷鋒以驚人的速度橫掃而過。例如，在綠光消失短短一年後，紅光的亮度就開始減弱。

麥克爾南指出，那個速度很重要，因為它可以揭示有關吸積盤結構的線索。如果吸積盤是粘稠和狂亂的，那麼通過它發送信息會相當容易（聯想一下聲音在水中比在空氣中傳播得更快）。麥克爾南據此認為，吸積盤必定是粘稠的，因而它相當蓬鬆——外觀像是一個甜甜圈，而不是一張DVD碟片——在冷鋒掃過時它會坍縮成薄薄的碟片。

不過，另一種假說認為情況恰恰相反：吸積盤一開始是薄薄的，之後會發生膨脹。天文學家認為，這正是恆星質量黑洞（它們可以說是超大質量黑洞的小老弟）變得不再活躍時會發生的事情。當這些黑洞吸積了大量物質時，它們的吸積盤很薄也很明亮。但當吸積速率減緩時，吸積盤就會膨脹成准球形結構，並且難以發出光線。

一個變臉類星體在短短几年內從明亮（上）變得暗淡。

來自日本東北大學（Tohoku University）的野田博文（Hirofumi Noda）以及來自英格蘭杜倫大學（Durham University）的克里斯·多恩（Chris Done）想知道，這樣的膨脹是否也會造成類星體的「變臉」。所以，在今年，他們把自己的模型應用於圍繞超大質量黑洞的吸積盤，而這些模型原本是用來模擬圍繞恆星質量黑洞的吸積盤。他們發現，這種變化可能發生在類星體的吸積盤中，而且速度很快（儘管沒有數十年那麼快）。

天文學家還無法判斷超大質量黑洞是否「斷了糧」，吸積盤本身是否發生了形狀變化，或者是否存在一種完全不同的機制在發揮作用。目前，天文學家還不清楚吸積盤中的氣體如何從大半徑軌道轉移到黑洞附近的軌道，以及它們最終是如何墜入黑洞的。而且，包括磁場在內的其他因素也有可能在其中扮演著天文學家尚不了解的重要角色。「我們的想像力在這裡遭遇了失敗。」耶魯大學（Yale University）的天體物理學家梅格·厄里（Meg Urry）說道。

「謀殺-自殺契約」

雖然細節仍然模糊不清，但更好地了解氣體和塵埃如何墜入黑洞，這不僅能滿足我們純粹的好奇心，更將有助於解釋星系是如何演變的。

近20年前，天文學家發現超大質量黑洞的質量跟整個星系的質量緊密相關。事實上，黑洞阻斷了星系的增長，導致它的規模要比模型預測值小了10-100倍。「跟整個星系相比，黑洞引力的影響範圍很小，」麥吉爾大學（McGill University）的天體物理學家約翰·阮（John Ruan）說，「那麼，為什麼兩者之間存在如此密切的聯繫呢？」

當天文學家第一次發現這種相關性時，上述問題的答案還是一個謎，但他們現在懷疑類星體會對宿主星系造成嚴重破壞，而且會帶來令人驚訝的深遠影響。類星體颳起的強風會把塵埃和氣體吹到星系以外；它的極端亮度也會把剩餘的氣體加熱到極高的溫度，令新的恆星無法成形。德雷塞爾大學（Drexel University）的物理學家戈登·理查茲（Gordon Richards）表示，類星體用「一份謀殺-自殺契約」讓自身以及宿主星系都處在「忍飢挨餓」的狀態。

至少，這是天文學家目前的想法。要確定其中的細節非常困難，因為天文學家無法同時對遙遠的類星體和它所處的星系進行觀測——類星體太過明亮了。然而，如果天文學家可以進行宇宙尺度的實驗，他們會先研究一個類星體，然後關閉開關使其變暗。約翰·阮說，變臉類星體正是這樣的實驗，它為我們提供了前所未有的機會，可以更好地去了解類星體帶來的深遠影響。

但要真正掌握這種關係，天文學家將需要數量眾多的變臉類星體樣本。為了找到它們，天文學家將不得不一次又一次地回過頭來觀測之前已經觀測過的類星體和星系，以找出變化。從2017年開始，位於加州的茲威基瞬變設施（ZTF）一直在進行巡天觀測，它每年會對同一天體進行近300次的回顧。不久之後，還會有更多的設施上線。例如，計劃於2022年投入使用的大型綜合巡天望遠鏡（LSST）每晚將以五種顏色拍攝整個天空。「我們將擁有一部全天的彩色電影，並從中發現數百萬個像這樣令人著迷的古怪天體，」格林說。

對於未來的運氣如何，麥克爾南保持中立的態度。在樂觀的時候，他設想那些巡天計劃有可能幫助天文學家交上好運。「如果我們在正確的時間處於正確的地點，在這些事件發生時觀測到它們，並利用多種儀器進行跟蹤，我們就有可能取得突破，」他說，「那可能成為我們的羅塞塔石碑。」雖然那仍然需要一點運氣，但這樣的觀測可能有助於我們描述未來的銀河系。

畢竟，再過大約50億年，我們所在的銀河系將跟仙女座星系發生碰撞，屆時可能會誕生又一個類星體，讓我們的夜空陷入混亂。但如果我們能夠更好地理解類星體的神秘消失行為，我們將能對未來的細節做出更清晰的預測。

翻譯：何無魚

審校：李莉

編輯：漫倩

來源：WIRED

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