遙遠(yuǎn)星系每隔114天準(zhǔn)時(shí)閃光 天文學(xué)家拼湊零碎信息找出原因

一個(gè)距離地球 5.7 億光年遠(yuǎn)的星系，大約每隔 114 天，就會(huì)像煙花一樣發(fā)出閃光，這幾乎像設(shè)定好的鬧鐘一樣準(zhǔn)時(shí)。至少從 2014 年開始，有天文臺(tái)就記錄下這種奇異現(xiàn)象。而如今，天文學(xué)家們通過拼湊的零碎信息找出了原因。

這個(gè)奇怪的星系被命名為 ESO 253-G003。在星系中心，有一顆恒星正圍繞著超大質(zhì)量黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)。每隔 114 天，兩者之間的距離就接近到足以使黑洞將恒星的一些物質(zhì)吸走，從而產(chǎn)生跨越多個(gè)波段的明亮閃光。然后恒星離黑洞又越來越遠(yuǎn)，直至下次再次接近黑洞，又有部分物質(zhì)被吸走點(diǎn)亮。由于閃光發(fā)生的規(guī)律性，天文學(xué)家給這個(gè)星系取了個(gè) “老忠實(shí)”的綽號(hào)。

這項(xiàng)研究的第一作者，夏威夷大學(xué)天文學(xué)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(guī)律性且發(fā)生最頻繁的多波段閃光，這為我們研究‘老忠實(shí)’這個(gè)星系提供了獨(dú)特機(jī)遇。”

佩恩補(bǔ)充說，“我們認(rèn)為，星系中心的超大質(zhì)量黑洞造成了爆炸，因?yàn)樗谕淌衫@其運(yùn)行的巨型恒星的部分物質(zhì)。”

2014 年 11 月，全天候超新星自動(dòng)搜索系統(tǒng) (ASAS-SN)首次探測(cè)到了這些閃光。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家認(rèn)為這種現(xiàn)象源自 ESO 253-G003 星系中的超新星。

但在 2020 年，當(dāng)佩恩在查看 ASAS-SN 上有關(guān) ESO 253-G003 的數(shù)據(jù)時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了來自同一處的多個(gè)閃光。

佩恩總共整理出了 17 次閃光發(fā)生，每次間隔約為 114 天。她和團(tuán)隊(duì)隨后預(yù)測(cè)該星系將在 2020 年 5 月 17 日、9 月 7 日和 12 月 26 日再次爆發(fā)閃光，結(jié)果如期所至。

研究人員將重復(fù)爆發(fā)的閃光命名為 ASASSN-14ko，這種有規(guī)律的現(xiàn)象意味著他們能夠用美國國家航空航天局(NASA)強(qiáng)大的凌日外行星勘測(cè)衛(wèi)星(TESS)對(duì)去年 5 月份發(fā)生的閃光進(jìn)行更詳盡的觀測(cè)。在此之前，其他儀器的觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)為研究人員提供了不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)家帕特里克 · 瓦萊利(Patrick Vallely)表示，“TESS 提供了一幅關(guān)于星系特殊閃光的詳盡照片，但由于該衛(wèi)星探測(cè)太空的特殊方式，其無法觀察到所有爆發(fā)的閃光。”瓦萊利指的是 TESS 只能對(duì)著一個(gè)區(qū)域觀測(cè) 27 天。“而 ASAS-SN 雖然收集到的閃光爆發(fā)細(xì)節(jié)較少，但涵蓋范圍較廣，這在對(duì)特殊閃光的觀測(cè)中至關(guān)重要。這兩種研究方式能夠相互補(bǔ)充。”

研究人員最初推測(cè)，由于超新星爆發(fā)會(huì)破壞原有恒星，因此只會(huì)在夜空中閃爍一次，然后就消失了，因?yàn)檫@樣的事件會(huì)摧毀最初的恒星;所以在可見光、紫外線以及 X 射線波段反復(fù)產(chǎn)生亮光的一定是其他什么東西。

其實(shí)，這并不是第一次發(fā)現(xiàn)因超大質(zhì)量黑洞吞噬恒星而產(chǎn)生規(guī)律性的閃光。去年就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)周期為 9 小時(shí)的類似閃光。但 ESO 253-G003 的情況更特殊。

這是因?yàn)檠芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，ESO 253-G003 實(shí)際上是兩個(gè)處于合并最后階段的星系，這意味著星系中心應(yīng)該有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

有研究表明兩個(gè)相互作用的超大質(zhì)量黑洞可以導(dǎo)致閃光反復(fù)發(fā)生。但是研究人員通過觀測(cè)認(rèn)為，ESO 253-G003 中心的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞距離太遠(yuǎn)，還不足以反復(fù)產(chǎn)生閃光。

另一種可能性是，黑洞在吞噬物質(zhì)時(shí)會(huì)形成吸積盤，而一顆恒星在圍繞黑洞運(yùn)行的過程中反復(fù)穿越吸積盤，從而產(chǎn)生耀眼的光芒。但研究人員也排除了這一點(diǎn)。因?yàn)槿绻@顆恒星以不同的位置和角度穿越吸積盤時(shí)，其每次產(chǎn)生的閃光應(yīng)有所不同;但觀測(cè)結(jié)果表明，來自 ESO 253-G003 星系中心的閃光幾乎完全一致。

第三種可能是反復(fù)發(fā)生的潮汐破壞事件。具體的說，就是一個(gè)較大質(zhì)量天體不斷從繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的較小天體上剝離物質(zhì)。

研究人員推測(cè)，如果一顆恒星沿著偏心軌道繞黑洞運(yùn)行，而公轉(zhuǎn)周期正好是 114 天，那么當(dāng)它接近黑洞時(shí)就會(huì)產(chǎn)生潮汐破壞事件，恒星的部分物質(zhì)被黑洞剝離，恒星繼續(xù)繞黑洞運(yùn)行。

當(dāng)這些剝離物質(zhì)與吸積盤中的物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生閃光。這似乎就是 ESO 253-G003 星系正在發(fā)生的事情。

考慮到這種情況，研究小組深入分析了觀測(cè)結(jié)果。他們研究了每個(gè)閃光的光曲線，并與其他已知的黑洞潮汐破壞事件進(jìn)行了比較。他們確定，這顆恒星很可能繞著一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于 7800 萬個(gè)太陽的超大質(zhì)量黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)。

在每一次接近黑洞的時(shí)候，這顆恒星都會(huì)損失約 0.003 個(gè)太陽質(zhì)量 (也就是 3 個(gè)木星的質(zhì)量)，這足以形成天文學(xué)家能夠觀測(cè)到的閃光，同時(shí)讓這顆恒星繼續(xù)存在下去。

“如果一個(gè)帶有膨脹外層的恒星沿著非常狹長(zhǎng)的軌道運(yùn)行，當(dāng)其距離黑洞足夠近、但也不是太近的情況下，黑洞就會(huì)剝離一些物質(zhì)，且不會(huì)撕裂整個(gè)恒星。”夏威夷大學(xué)天文學(xué)院天文學(xué)家本杰明 · 夏皮(Benjamin Shappee)說。“在這種情況下，這顆巨大的恒星會(huì)一次又一次地返回，直至消耗殆盡。”

目前尚不清楚恒星和黑洞的這種現(xiàn)狀已經(jīng)持續(xù)了多久時(shí)間，因此很難計(jì)算出這顆恒星還能存活多久。但是研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)預(yù)測(cè)出接下來的兩次閃光發(fā)生時(shí)間分別在今年的 4 月份和 8 月份，研究人員計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行更多的觀測(cè)。

這是了解超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量吸積的極難得機(jī)會(huì)。

俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)家克里斯 · 斯坦內(nèi)克(Kris Stanek)說 :“總的來說，我們真的很想了解這些黑洞的性質(zhì)以及它們是如何成長(zhǎng)的。”“準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下一事件發(fā)生時(shí)間的能力，讓我們能夠獲取原本無法獲取的數(shù)據(jù)，而且我們已經(jīng)有所收獲。”

關(guān)鍵詞： 星系 天文學(xué)家