天空中游盪的「死亡之星」:合並中的類星體將照亮宇宙

5月19日消息,據媒體報導,數十億年後,銀河系中的「居民」看到的夜空將與我們今天全然不同。兩個如滿月一般、甚至比滿月更亮的天體將會高懸空中,使其它所有星星都黯然失色。這兩個炫目的「燈泡」其實是一對類星體,由銀河系與附近的仙女座星系相撞形成。

天空中游盪的「死亡之星」:合並中的類星體將照亮宇宙

類星體的光芒來自黑洞瘋狂吞噬物質的過程中釋放出的大量輻射。銀河系和仙女座星系中央都有黑洞,如同兩名沉睡的巨人。但這種狀況只會維持到兩個星系相撞之前。等到相撞之時,它們將變得極為致命、也極為炫目。這對類星體釋放出的巨量輻射或將使行星表面變成一片不毛之地,將無數地外文明抹除一空。

這樣的「死亡之星」聽上去好似科幻小說中的場景。但真實的宇宙比小說更離奇。同樣的故事其實在很久之前的兩對遙遠星系中也上演過。這四個星系中央各有一個明亮的類星體,正處於合並過程中。隨著兩個星系越靠越近,它們的類星體也是如此。而哈勃望遠鏡成功拍下了這一畫面。此次發現為我們提供了一次研究早期宇宙中星系相撞事件的機會。遠古類星體在宇宙中非常分散,因此能發現這些類星體對可謂再幸運不過。據天文學家估計,在每一千顆類星體中,只有一顆屬於真正的雙類星體。

哈勃望遠鏡發現的這對類星體可追溯至100億年前。天文學家在使用哈勃望遠鏡時發現,這對類星體之間的距離如此之近,在地面望遠鏡拍下的照片中就如同一個星體一般,但哈勃清晰的視野為我們揭露了事情的真相。

天空中游盪的「死亡之星」:合並中的類星體將照亮宇宙

  這兩張由哈勃望遠鏡拍攝的圖片顯示了兩對100億年前的類星體,分處四個正在合並的星系中央。然而我們看不見這些星系,因為即便是對哈勃望遠鏡而言,它們也太過黯淡了。每對類星體之間的距離只有1萬光年,是宇宙同一時期的類星體對中,目前觀察到的距離最近的兩對。

研究人員認為,這兩個類星體之所以如此靠近彼此,是因為它們各自所處的星系正在合並之中。不僅如此,該團隊在另外兩個相撞的星系中,又發現了另一對類星體。

類星體如同星系中央的一座明亮的燈塔,其亮度可以使整個星系都顯得黯然無光。它們的能量來自不斷吞食物質、釋放輻射的超大質量黑洞。這四顆類星體的發現,為我們提供了一條研究早期宇宙中星系碰撞與超大質量黑洞合並的新思路。

類星體分散在宇宙各處,大多數形成於100億年前。在那段時間里,發生了大量星系合並,為黑洞提供了「食物」。因此天文學家猜想,當時應該形成了許多雙類星體。這是星系形成巔峰期的第一個雙類星體案例,我們可以利用它來研究超大質量黑洞是如何逐漸靠近、並最終形成雙黑洞系統的

研究團隊目前正在藉助哈勃望遠鏡、歐空局蓋婭太空望遠鏡、斯隆數字巡天望遠鏡、以及多台地面望遠鏡,對早期宇宙中的類星體對開展研究分析,這些觀測非常重要,因為類星體在星系相撞中扮演的角色在星系形成過程中起到了舉足輕重的作用。當兩個距離較近的星系的引力使彼此開始扭曲時,二者之間的相互作用會導致物質流入黑洞中,從而激活各自的類星體。

隨著時間的推移,這些高密度「燈泡」釋放出的輻射會形成強大的星系風,將正在合並的星系中的大多數氣體一掃而空。沒有了氣體,恆星的形成就會停止,星系也會因此演變成為橢圓星系。天文學家目前已在正在合並中的星系中發現了100多個雙類星體,但都沒有本次研究中發現的兩個雙類星體這麼古老。

哈勃望遠鏡拍攝的圖像顯示,每對類星體之間的距離僅為1萬光年左右。相比之下,太陽距銀河系中央的超大質量黑洞足有2.6萬光年之遙。這兩對類星體所在的星系遲早會兩兩合並,類星體也會合二為一,形成一個質量更大的黑洞。找到它們並不容易。哈勃是唯一一台目光足夠尖銳、能夠看到早期宇宙並將兩顆遙遠類星體區分開的望遠鏡。然而,僅憑哈勃望遠鏡的高解析度,還不足以發現這些雙類星體。

天空中游盪的「死亡之星」:合並中的類星體將照亮宇宙

  這張藝術概念圖顯示了兩個正在合並的星系中央的類星體發出的明亮光線。在兩個星系的引力拉扯下,恆星的形成發生了爆發性增長。類星體如同遙遠星系中央的明亮燈塔,由超大質量黑洞吞噬物質形成。黑洞在吞噬物質過程中會釋放出大量輻射,使星系中成百上千億顆恆星的光芒都顯得黯然無光。再過幾千萬年,這兩個黑洞和它們所在的星系便會合並,這對類星體也會合二為一,形成一個質量更大的黑洞。再過幾十億年,同樣的故事也會發生在我們的銀河系與附近的仙女座星系身上。

天文學家首先要決定將哈勃望遠鏡對准哪里。問題在於,太空中形成於100億年前左右的遠古類星體太過分散,其中只有極少數為雙類星體。在蓋婭探測衛星和斯隆數字巡天地面望遠鏡的幫助下,研究人員採用了一種極富想像力和創新性的技術,為哈勃望遠鏡選出了一系列潛在的觀測對象。

斯隆望遠鏡位於美國新墨西哥州的阿帕契點天文台,可以生成天空中各天體的三維分布圖。該研究團隊對斯隆望遠鏡採集的數據進行了細細梳理,確定了值得進一步研究的類星體。

接下來,研究人員又藉助蓋婭望遠鏡,確定了可能的雙類星體「候選人」。蓋婭望遠鏡可以精確測定附近天體的位置、距離及運動情況。但該團隊又為蓋婭望遠鏡設計了一種新用途,可以對遙遠的宇宙展開探索。他們利用蓋婭望遠鏡的資料庫,尋找與附近恆星的視運動相似的類星體。這些類星體在蓋婭望遠鏡的數據中呈現為單個天體。然而,蓋婭望遠鏡可以察覺到,部分類星體的視位置似乎在隱隱約約地「搖擺」。

類星體在太空中的位置變化小到無法測出,這種搖擺其實是由於光線的隨機波動引起的,因為一對類星體中、二者的亮度會不斷變化。類星體的亮度變化以天、甚至月為單位,具體取決於黑洞吞噬物質的時間長短。

類星體對的亮度變化類似於從遠處看到的鐵路道口信號燈。當兩盞燈交替閃爍時,就會給人造成燈光在左右「搖擺」的錯覺。當哈勃觀察到最開始的四顆類星體時,它的高解析度很快顯示出,它們其實是兩對相距很近的類星體。研究人員表示,這是一個激動人心的時刻,證明他們利用斯隆、蓋婭和哈勃望遠鏡搜索遠古雙類星體的策略選對了。

這是一個「意外之喜」。很長時間以來,研究人員一直在利用地面望遠鏡和各種技術尋找離地球較近的雙類星體。此次採用的新技術不僅發現了距地球遠得多的雙類星體,效率也比我們之前採用的方法高得多。

研究團隊還利用美國國家科學基金會的雙子望遠鏡開展了後續觀測。雙子望遠鏡的空間分辨光譜分析法可以避免無關的恆星-類星體系統偶爾重疊造成的影響,即前景中的恆星湊巧與背景中的類星體排在了一條直線上。

盡管該團隊對自己的研究結果很有信心,但他們也表示,哈勃望遠鏡拍攝的有可能是同一個類星體的兩張照片,由於引力透鏡現象造成了有兩個類星體的錯覺。引力透鏡現象是指,前方巨大星系的引力導致後方類星體發出的光線發生了分離和增強,形成了兩個鏡像。但研究人員認為這種可能性微乎其微,因為哈勃望遠鏡並未在這兩對類星體前方發現任何星系。

星系的合並在數百億年前更加常見,但如今也有少數正在發生。例如地球不遠處的NGC 6240系統,其中包含兩個、甚至可能三個超大質量黑洞。再過幾十億年,我們的銀河系也將與附近的仙女座星系相撞,屆時也可能導致物質進入兩個星系中央的超大質量黑洞,使其形成類星體。

未來的望遠鏡或許能提供更多有關這類合並星系系統的信息。NASA的詹姆斯韋伯太空望遠鏡(計劃於今年發射)將對這些類星體所在的星系展開調查,為我們揭露星系合並的一系列特徵,比如恆星光線的分布情況、以及氣體從星系中抽離時形成的長長氣流。(葉子)

來源:cnBeta