保持耀變體閃爍的黑洞「電池」

原文標題：Black Hole 『Batteries』 Keep Blazars Going and Going

作者：Francis Reddy 原文來自：NASA Posted: 2014. 6. 3

編譯：Melipal 審校：Linq （編譯版權所有，未經許可請勿轉載。）

天文學家研究了NASA費米伽瑪射線空間望遠鏡監測的兩類由黑洞驅動的星系，發現的線索表明它們實際是宇宙硬幣的正反面。科學家通過揭示這些名為耀變體的天體在宇宙中的分布情況，提出定義兩類天體的明顯特徵更可能反映了星系從中央黑洞提取能量的不同方式。

相關課題的首席研究員、南加州克萊姆森（Clemson）大學的天體物理學家馬克·阿耶洛（Marco Ajello）說：「我們可以將其中一類耀變體視為大油耗的汽車，另一類是節能的電動汽車。我們的結果表明，實際上我們看到的是混合動力車輛，隨著年齡的增長，會深入挖掘黑洞的能量。」

如這張藝術概念圖所示，天文學家一度認為的兩類耀變體實際上可能只是一類。在強烈吸積的年輕時期儲藏在黑洞中的能量可能會在隨後由耀變體取出，以在氣體耗盡之後很長時間繼續發出高能輻射。（圖片提供：NASA"s Goddard Space Flight Center）

活動星系擁有極其明亮的核心，由質量相當於太陽數百萬乃至數十億倍的黑洞提供能量。在氣體落向特大質量黑洞的時候，會進入一個吸積盤，並被加熱。在靠近黑洞邊緣的地方，一些其他經由尚未完全了解的過程，以接近光速的相向運動噴流的形式噴出盤面。

耀變體是能量最高的活動星系，在從射電到伽瑪射線的整個電磁波譜都能發出輻射。費米大視場望遠鏡迄今已經探測到了超過1000個耀變體，在由它編纂的分立伽瑪射線源表中，耀變體佔了超過一半。天文學家認為，耀變體看起來輻射如此強烈的原因是它恰好正對我們，其中一道噴流幾乎與視線平行。在幾乎直接觀看接近光速的粒子噴流的內部時，來自噴流及其產生區域的輻射會主導整個視野。

一個活動星系必須要表現出可見光波段快速的光變（時標短至數日）、強烈的光學偏振，或者在射電波段擁有明亮的「平譜」（也就是說，在鄰近頻段內亮度變化相對較小），才能被稱為耀變體。

天文學家辨認出了兩類耀變體。其中的一類名為平譜射電星系（FSRQ），它們表現出了活躍的吸積盤強烈的輻射、更高的光度、較小的黑洞質量以及噴流中較弱的粒子加速。另一類是蠍虎座BL天體，完全由噴流輻射支配，噴流中的粒子可以達到更高的能量，吸積盤的輻射要麼很弱，要麼完全不存在。

阿耶洛3日在波士頓召開的美國天文學會會議上做了發言，他稱他和他的小組希望能研究這些天體在整個宇宙歷史中分布情況的改變，不過大量的伽瑪射線蠍虎座BL天體可靠的距離信息是很難獲取的。

來自羅馬義大利空間機構科學數據中心的小組成員達里奧·加斯帕里尼（Dario Gasparrini）解釋說：「我們測量距離最重要的一個工具是，在宇宙中隨著我們愈發深入，光譜線朝向紅端移動的程度就越明顯。來自蠍虎座BL天體極弱的吸積盤輻射讓測量紅移變得極其困難，因此難以測量距離。」

因此小組開展了龐大的光學觀測計劃，來測量費米探測到的蠍虎座BL天體的紅移。

小組成員、天體物理學家羅傑·羅馬尼（Roger Romani）說：「這一計劃花費了數年時間，如果不是同事們大量使用了地面天文台進行觀測，這根本就是不可能的。」羅馬尼來自科維里粒子天體物理學與宇宙學研究所，該機構由斯坦福大學與門洛帕克（Menlo Park）的SLAC國家加速器實驗室共同管理。

紅移巡天包括由羅馬尼領導的德克薩斯州麥克唐納天文台霍比—埃伯里（Hobby-Eberly）望遠鏡的25晚觀測、由加州帕薩迪那（Pasadena）加州理工學院安東尼·里德黑德（Anthony Readhead）領導的帕洛馬天文台200英寸海爾望遠鏡的8晚觀測，還有由英國牛津大學加勒特·科特爾（Garret Cotter）領導的智利歐洲南方天文台9晚觀測。此外德國加興馬普地外物理所的約亨·格賴納（Jochen Greiner）以及馬里蘭州格林貝爾特（Greenbelt）NASA戈達德太空飛行中心的尼爾·格雷爾斯（Neil Gehrels）分別領導了智利的GROND望遠鏡以及NASA雨燕衛星的紫外/光學望遠鏡進行了重要的觀測。

天文學家獲取了大約200個蠍虎座BL天體的數據（這是迄今最大最全面的樣本），並將它們在整個宇宙歷史中的分布情況與類似的FSRQ樣本作了比較。二者一道說明，FSRQ在大約56億年前開始減少，而蠍虎座BL天體數量持續增加。對於能量最為極端的蠍虎座BL天體（也就是根據輻射類型定名的高能同步輻射峰耀變體）來說，這種增加尤其明顯。

羅馬尼說：「我們認為，我們所見的是提取中央黑洞能量的方式發生的改變。」

大型星系是通過與大量小型星系碰撞併合而形成的，宇宙年齡越小，這樣的過程發生的頻率就越高。這樣的碰撞為星系的增長提供了大量的氣體，並持續激起氣體，讓它更易於抵達中央的黑洞。氣體在黑洞那裡堆積形成了龐大熾熱的明亮吸積盤，就好像在那些「高油耗」的FSRQ中所見的那樣。靠近黑洞的一些氣體驅動著一道噴流，而其他則落入了黑洞中，逐漸讓黑洞自轉加快。

隨著宇宙的膨脹，星系的密度在減小，因此星系碰撞的頻率下降了，供應黑洞的新鮮氣體以及有所減少。吸積盤隨著時間的推移被耗盡了，不過殘留下的物質環繞著一個自轉更快、質量更大的黑洞運轉著。這一特性讓蠍虎座BL天體在螺旋落向黑洞的物質相對較貧乏的時候仍然可以維繫一束強有力的噴流。

實際上，在星系作為FSRQ的年代，吸積能量存儲在了黑洞增加的自轉與質量中，這就好像是電池一般。當富含氣體的吸積盤消失後，耀變體提取了黑洞存儲的能量，雖然此時吸積率較低，但還是可以作為蠍虎座BL天體維繫粒子噴流，併產生高能輻射。

混合類星體的概念導致的觀測結論是，隨著黑洞損失能量、自轉減速，蠍虎座BL天體的光度會隨時間推移變暗。

天文學家稱，他們急於在部分由費米持續的全天巡天提供的更大耀變體樣本上檢驗這一觀點。想要了解轉變的細節，還需要更好地認識兩類耀變體的噴流、黑洞質量以及星系的周邊環境。

（全文完）