宇宙谜团之古怪光点的喷流天体

2022年09月26日00:52:21 科学 1474

天文学家在夜空中发现了一些非常明亮的光点,但是这些光点有些古怪。它们看起来就像小光点和星星,所以一开始它们显得很神秘。这是一种新的新星还是截然不同的东西?有颗这种古怪的天体,就藏在室女座星系团里。从地球上看去,天体3C273就像邻近的一颗恒星,但是科学家研究它发出的光却得到了惊人的发现。它的距离非常遥远,不光位于银河系之外,甚至不在我们能观察到的任何星系内。它远在十多亿光年以外!如果它距离这么远却这么亮,那么这一定是宇宙中我们已知的亮度最高的天体。而这也是它们长期以来如此神秘的原因之一。这些天体极其明亮,因此就算距离遥远,在我们看来,它们也像是邻近的恒星,它们被称为绿色恒星的天体,简称类星体。但它们究竟是什么?对类星体做了更细致的观察后,我们发现它们的位置不是随机分布的,它们总是出现在某个星系的中心。类星体是一个极为遥远的星系中超级明亮的内核,我们能够看见它们完全是因为它们大到不可思议的能量。一个类星体,亮度就超过整个星系,相当于数千亿颗恒星,释放出的能量全部集中到一个单一的能量来源中。

迄今为止,人类在地球上见证过的能量级最大的事件,就是有史以来引爆过的最大的原子弹。而我们发现,类星体每秒钟释放出的能量比一亿忆忆颗这种原子弹爆炸还要大,就把这么多的能量集中到一个非常、非常、非常小的空间里,真是难以置信,类星体这幺小的话,又怎么能释放出这么强大的能量?这么明亮、能量巨大但又不太大的物体是如何产生的呢?这样的天体能量来自哪里?

类星体里一定隐藏着一个动力强大的发动机。什么样的天体可以产生这么多的能量,这么强的动力创造出这种东西?宇宙中只有一种物体,质量足够大,密度也足够高,那就是黑洞。这是宇宙中已知的唯一一种有可能给类星体提供能量的东西。质量比太阳大25倍的恒星,在持续一生的抗拒引力的战斗中,最终失利后就会遭受一场灾难性的坍缩,它们巨大的质量全部被压缩到一个点上,黑洞就这样诞生了。黑洞非常独特,宇宙中再没有其他这样的天体。它们质量极大,密度极高,将非常多的物质压缩到一个小小的空间内,甚至能让空间发生巨大的扭曲。它们可以创造出一个叫“视界”的区域,这些怪物的边界即视界,是个没有回头路的地方,越过那条线的一切东西都永远无法逃离,哪怕光也一样。光可以在时空中自由驰骋,但是黑洞内的时空本身发生了弯曲,所以光也永远无法逃离黑洞,宇宙中到处都有黑洞。它们的大小不一,从大约三倍太阳质量的常规黑洞到超大规格的超大质量黑洞。所以我们认为类星体就代表着我们在宇宙中见到的最大的黑洞,即相当于十多亿倍太阳质量的黑洞,巨大的质量形成了巨大的引力。我们认为只有超大质量黑洞可以提供这种能量,但是类星体却比他们所在的整个星系更加明亮,黑洞吞噬一切。它们是黑色的,怎么可能变得这么明亮!黑洞是贪婪的吞噬者,它们吸引尘埃和气体,这些物质在黑洞周围蓄积成环状,我们称之为吸积盘。可以把它想象成一个巨大的物质漩涡,逐渐落入这个超大质量黑洞里,这些物质无法全部一下子掉落下去,所以吸积盘里会出现很多摩擦。尘埃和气体速度变快,摩擦也相应变大。可能造成光速下的巨大摩擦。

我们摩擦双手如果速度达到光速,巨大摩擦力会让双手气化,温度变得极高,所以吸积盘内的物质温度可以升高到摄氏几百万度。物质升温时会产生辐射。形成我们可见的光。星系的中心就这样发出光芒,在几十亿光年外也能看见。那里的物质变得稠密炽热,就有了类星体,所以就算黑洞是宇宙中最黑的天体,也能给宇宙中最明亮的天体提供能量。几十年来,类星体一直令天文学家感到困惑,现在看来,就算是最明亮的天体也可能看不见。

2015年11月,天文学家利用阿塔卡玛大型毫米波阵列望远镜,观察宇宙中最明亮星系的内部。一个名字简单好记的类星体W2246发出的光芒相当于359万亿个太阳。但是我们的肉眼却看不见它,这是因为它释放出的是红外线,它不是普通的星系,而是热狗星系。热狗是热尘埃遮蔽星系的简称,这些星系被星系间尘埃云包围着,遮挡住了这颗类星体发出的强大光芒。因为类星体是个超大质量黑洞,周围的物质都会落向黑洞,可以想象,有时候黑洞周围的物质过多,就会彻底遮挡住类星体。

类星体的可见光被浓密的尘埃吸收了,但是能量较低的红外线可以逃逸出来,在这个波段下,它的亮度惊人。热狗星系不仅名字很酷,还很出人意料。我们发现宇宙中最明亮的类星体里有一半都是热狗星系。类星体非常明亮,我们甚至能观察到一些130多亿光年外,位于宇宙边缘的类星体这就意味着,他们诞生的时候,距离宇宙大爆炸才不到10亿年。为什么宇宙诞生后这么快就会出现这样的怪物?科学家发现宇宙中有很多亮度惊人的类星体!

它们比自身所在的星系还要明亮,我们远在几十亿光年外都能看见他们。虽然光速高达每秒30万公里,但要花很长时间才能越过星系间的遥远距离,所以我们在宇宙中看见的类星体,其实是几百万年甚至几十亿年前的,它们发出的光芒今晚才到我们眼中。2017年智利的拉斯坎佩纳斯天文台的科学家用望远镜对准宇宙中最古老的区域,然后得到了一个大惊喜。这颗类星体诞生的时间只比宇宙大爆炸晚大约6、7亿年,而这个黑洞的质量相当于大约8亿倍太阳质量。

这是人类迄今发现的最古老的类星体,诞生于宇宙大爆炸后大约七亿年。那时的宇宙还是主要由氢气氦气构成的一锅浓汤。类星体的能量来自超大质量黑洞,但是在宇宙进化的过程中,发现一个诞生得这么早,却又这么大的黑洞,还是非常神秘。天文学里最重要的问题之一就是这些超大质量黑洞是如何形成的,它们为何这么早就出现在宇宙中?这是一个有趣的谜,我们发现的类星体位置几乎远到了极限及这些天体存在于最早期的星系内,也就意味着那时可以聚集形成几百万甚至几十亿倍太阳质量的天体。但我们还不清楚这究竟是如何发生的。

这个谜还藏在黑洞的增长速度中,它们以惊人的速度吞噬物质,不断长大。我们吃东西,总会吃饱,但是黑洞永远维持着饥饿状态,它们贪得无厌。黑洞可以吞噬一切,过于接近它们的物质长得越来越大,但是它们的成长速度依然有极限。宇宙诞生后十亿年,这么短的时间还不足以让它们成长到10亿倍太阳质量这么大,所以除了这种吞噬方式,一定还有其他方式导致这些黑洞的种子形成。

我们现在认为,这种10亿倍太阳质量的超大质量黑洞是由较小的种子黑洞成长起来的。黑洞通常是超过25倍太阳质量的恒星爆炸而形成的,这些黑洞都很小。要形成超大质量黑洞,需要超大质量恒星在宇宙初期的原始气体中诞生的巨型恒星。那是有主要由氢气加上一点氦气构成的巨大气体云,只有这些物质随着其冷却,就可能坍缩形成这种巨大的恒星,或者说是太空中的巨大氢气球。

超大质量恒星寿命短暂,转瞬即逝。它们死亡的时候就会形成这种种子黑洞,这可能是产生这种巨大种子的方式之一。但还是有个问题,这些超大质量恒星似乎无法形成足够大的种子黑洞,应该还有其他方式可以在不到10亿年内形成一个10亿倍太阳质量的黑洞。

科学家正在努力研究发现越多不同的类星体,我们就能知道形成类星体的这些种子究竟是什么,或让我们知道快速创造出这些巨大黑洞的新方式。我们对类星体研究得越多,就越了解早期宇宙。但是它们也显露出了一些独特的性质。

最近我们发现了一些星系中间被撕出了空洞,元凶则是一些以接近光的速度释放出来的死亡射线。宇宙里满是星系,从远处看它们显得平和宁静,但是靠近一点观察,就能发现极端暴力和破坏的证据。有的星系里有从星系中心延伸出来的伤疤长达几十万光年,是什么造成了这么大的破坏呢?在不同波长下进行观察,就能发现真凶。星系中心的类星体发射的两道巨大的能量束,从类星体中心喷射而出,撕裂星系进入太空,在周围的气体云中也形成了空洞。这些喷流的能量强度惊人,摄人心魄,令人瞠目结舌。

想象一下这些类型体喷流中蕴含的能量,有时它可以将许多倍太阳质量的物质加速到接近光速,然后将它喷射到几十万光年以外。这些喷流像是从类星体中心喷射出来的超高能粒子转化成密集的能量束。以每小时几百万公里的速度移动,温度高达上万亿度。普通的类星体已经很强大了,但是发射喷流的类星体更是强大到离奇!这种能量相当于把几十亿甚至上万亿颗恒星的能量,聚集成一道狭窄的喷流,像死亡射线一样喷射到宇宙中。如果你离得太近,就在这种喷流喷射的路线上,那你应该抵抗不了多久,遭受摧残的不仅是星系。喷射出的喷流威力比死星还大,不仅能摧毁挡道的行星,连恒星和整个恒星系也不能幸免于难。3C321星系就遭遇了这种厄运。

在可见光下观察,我们只能看到一对星系。但在不同波长下,我们可以看到一个更大的星系,发射出强大的死亡射线,撕裂邻近较小的星系,射入宇宙中。想象一下位于喷流路线上被喷流直接击中,那就完了,整个星球都会面临灾难。行星毁灭,恒星爆炸,这些喷流可以喷射到太空中非常遥远的地方。我们已经发现的最大的喷流长度达1.4百万秒差距,一个百万秒差距大约是300万光年,所以它从头到尾的长度大约是500万光年。喷流冲入星系际介质,也就是星系周围稀薄的气体层之后就会停下。它可以击中几十万光年外的星系际介质,使其燃烧起来。撞击释放出巨大的冲击波。

但是能发射喷流的类星体似乎很少见,只有10%的类星体有喷流,没有人知道原因。我们在宇宙中可以清楚地观察到类星体发射巨大喷流,奇妙的是,我们都不知道它们是如何形成的。这个过程非常复杂,我们很难弄清那里究竟发生了什么样的天体物理学现象。所以我们认为喷流是在吸积盘内形成的,也就是盘旋在黑洞视界附近的气体涡流盘,这是最合理的理论。

我们认为在超大质量黑洞附近存在快速移动的带电粒子,这样就产生了磁场,这些粒子绕着黑洞旋转,形成了一个强大的磁场。磁场强度不断变大,包裹住黑洞,吸积盘内的一切带电粒子都会沿着磁场的方向移动,有磁场的天体就一定存在磁极,在这个地方,物质可以逃逸,粒子盘旋着上升变成一道喷流,吸积盘内的压力非常大,这种磁场也非常强,它们紧紧围绕着旋转的黑洞旋转,最终得到了极其强大的集中喷流。

黑洞两极喷射出的喷流,速度可以达到光速的99%。这些类星体是巨大的发电机,可以把引力能转变成磁能,这种磁能再在喷流发射时转化成动能。他们携带着巨大的能量,在宇宙另一端也能观测到。类星体继续困扰着天文学家。现在他们又带来了另一个问题,类星体应该需要几百万年的时间才能发射,但是最近我们探测到在刹那间就可以变亮的类星体。

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