觀測宇宙中遙遠而古老的耀變體

原創：鄭娟娟

耀變體，英文blazar，是一種非常緻密的類星體（very compact quasar），一般認為在它的中心存在著黑洞。它是宇宙中最為高能的現象之一，是活躍星系核（activengalactic nuclei，簡稱AGN）中的一個類別。

像很多其他的天文辭彙一樣，blazar也是天文學家創造的詞。1978年，天文學家Edward Spiegel用blazar來表示蠍虎座BL型天體（BL Lac objects）和光學劇變類星體（optically violent variable quasars）的組合。另外，還有少量耀變體可能屬於「過渡耀變體」，即兼具蠍虎座BL型天體和光學劇變類星體的某些特徵。

普遍接受的情況是，光學劇變類星體是內在強大的射電星系，而蠍虎座BL型天體則是內在較弱的射電星系。它們的共同點是，其宿主星系都是巨大的橢圓星系。

耀變體會爆發出各種可觀測到的能量，大部分以非熱輻射譜的形式存在，從極低頻的無線電，到極高能的伽馬射線。

如同其他的AGN，人們認為耀變體的巨大能量是由物質落入宿主星系中心的超大質量黑洞所產生的。氣體、塵埃，以及一不小心滑入黑洞邊緣的恆星，螺旋式地落入中央黑洞，在黑洞外圍形成吸積盤，生成大量光子、電子、正電子以及其他基本粒子形式的能量。

垂直於吸積盤的方向，一對噴流從AGN中噴射出高能等離子體。由於受到強大的磁場和強烈輻射風的綜合作用，噴流的方向保持相對穩定。耀變體噴流的特殊之處在於，其中一端的方向基本上是大致朝向地球的，因而可以被清晰地觀察到。

費米伽瑪射線太空望遠鏡，也就是先前的GLAST（美國宇航局於2008年6月發射的伽馬射線望遠鏡，全稱為「伽馬射線廣域空間望遠鏡」Gamma-ray Large Area Space Telescope，通過高能伽馬射線觀察宇宙，當這台望遠鏡建成後開始正常運行時，NASA給它重新命名為費米伽瑪射線太空望遠鏡），可以檢測來自不同類型AGN的伽馬射線，例如射電星系、塞佛特星系、類星體和耀變體，但貢獻最大的可能還要數耀變體，因為從耀變體中心射出的噴流幾乎徑直地指向地球。截止目前，費米的大面積望遠鏡（LAT）觀測到的伽馬射線源中大約有一半都是耀變體。

當費米太空望遠鏡觀測耀變體時，它其實監測的是來自遙遠過去的黑洞的狂暴行為，通過對這些黑洞的伽馬射線進行分析了解，實際上是以一種黑洞考古學的形式，來揭開宇宙的高能歷史。

曾經，費米太空望遠鏡所觀測到的最遙遠耀變體的光輝，大約是在宇宙21億歲時發出的。2015年，費米團隊發布了對所有LAT數據的完整後處理，稱為Pass 8，其中引入了很多改進，以至於天文學家們稱就像擁有了一個全新的工具。LAT的靈敏度因此增加了40%，特別是在較低頻率上的靈敏度得到更多提升，天文學家們就能夠通過它觀測到比以前距離更加遙遠的耀變體。

藉助著更加先進的LAT，今年1月底，美國戈達德太空飛行中心的天文學家Roopesh Ojha在美國物理學會會議上，報告了他們的新發現，費米太空望遠鏡已經觀測到目前為止最為遙遠的伽馬射線耀變體，該耀變體的光輝從14億歲時的宇宙開始旅行，經過一百多億年的時間，終於來到地球。除了它之外，天文學家們還發現了其他4個遙遠的耀變體，其中距離我們最近的也有大約119億光年之遠。

Roopesh Ojha介紹，「儘管它們很年輕，但它們的中心都寄居著已知的某些最大的超大質量黑洞。」n「它們在宇宙歷史上發育得如此之早，挑戰了當前關於超大質量黑洞形成和成長的想法，我們希望找到更多的這種天體，幫助我們更好地理解這個過程。」

研究團隊由南卡羅萊納州克萊姆森大學的Vaidehi Paliya、Marco Ajello以及義大利航天局科學數據中心的Dario Gasparrini和Roopesh Ojha所領導。研究過程中，他們從一個包含140萬個類星體的目錄中搜索最遙遠的射電源，通過一系列篩選，他們選定了最終的1100個天體樣本，逐個檢查了它們的LAT數據，最終鎖定了5個新的伽馬射線耀變體。

「當鎖定這些射電源之後，我們就收集了所有可用的多波長數據和衍生屬性，例如中心黑洞的質量，吸積盤光度和噴流的相應數據等。」Paliya說。

在這5個耀變體中，有2個耀變體的中央黑洞擁有10億倍或者更多的太陽質量。5個耀變體都擁有極其明亮的吸積盤，放射出2萬億倍的太陽能量輸出。這意味著物質連續不斷地向黑洞中落下，在最後投入黑洞之前被盤化並加熱。

「現在的主要問題是這些巨大的黑洞是如何在這樣一個年輕的宇宙中形成的，」Gasparrini說，「我們不知道是什麼機制引發了它們的快速成長。」

同時，研究團隊計劃繼續深入搜索其他案例。

「我們認為費米望遠鏡只是觀測到了冰山一角。」Ajello說。

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