遥远星系中涌动的光芒可能会改变我们看待黑洞的方式

艺术家描绘的遥远星系的亮度突然激增。 图片来源:NASA/索诺玛州立大学,Aurore Simonnet

在被称为 1ES 1927+654 的星系中发生了一些奇怪的事情:在 2017 年末,由于科学家无法解释的原因,位于这个星系中心的超大质量黑洞经历了一场巨大的身份危机。 在几个月的时间里,这个本来就很亮的物体,它非常明亮,属于一类被称为活动星系核 (AGN) 的黑洞,突然变得更亮了——在可见光下的亮度是正常情况的近 100 倍.

现在,一个国际天体物理学家团队,包括来自 CU Boulder 的科学家,可能已经查明了这种转变的原因。 穿过黑洞的磁场线似乎颠倒了过来,导致物体特性发生快速但短暂的变化。 就好像地球上的指南针突然开始指向南方而不是北方。

研究合著者尼古拉斯·塞皮 (Nicolas Scepi) 说,5 月 5 日发表在《天体物理学杂志》上的研究结果可能会改变科学家对超大质量黑洞的看法。

“通常情况下,我们预计黑洞会演化数百万年,” JILA 的博士后研究员 Scepi 说,JILA 是 CU Boulder 和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的联合研究所。 “但是这些物体,我们称之为外观变化的活动星系核,在非常短的时间尺度内演化。它们的磁场可能是理解这种快速演化的关键。”

Scepi 与 JILA 研究员 Mitchell Begelman 和 Jason Dexter 一起首先推测,这种磁性触发器可能在 2021 年成为可能。

新的研究支持了这个想法。 在其中,由美国宇航局戈达德太空飞行中心的 Sibasish Laha 领导的一个团队收集了迄今为止关于这个遥远天体的最全面的数据。 该小组利用地面和太空中的七个望远镜阵列的观测结果,追踪来自 1ES 1927+654 的辐射流,因为活动星系核变得明亮,然后又变暗。

观察结果表明,超大质量黑洞的磁场可能比科学家们曾经认为的要活跃得多。 而且,Begelman 指出,这个 AGN 可能并不孤单。

“如果我们在一个案例中看到这一点,我们肯定会再次看到它,”天体物理和行星科学系 (APS) 教授 Begelman 说。 “现在我们知道要寻找什么了。”

一个不寻常的黑洞

Begelman 解释说,活动星系核源于已知宇宙中一些最极端的物理学。

当超大质量黑洞开始从它们周围的星系中吸收大量气体时,这些怪物就会出现。 就像水绕着排水管一样,这种物质越靠近黑洞,旋转的速度就会越来越快——形成一个明亮的“吸积盘”,产生强烈而多样的辐射,科学家们可以从数十亿光年外观察到这些辐射。

这些吸积盘还产生了一个奇怪的特征:它们产生环绕中心黑洞的强磁场,并且像地球自身的磁场一样,指向一个不同的方向,例如北或南。

信用:美国国家航空航天局

APS 助理教授德克斯特说:“事件视界望远镜和其他观测结果越来越多的证据表明,磁场可能在影响气体怎样落入黑洞方面发挥关键作用。”

这也可能影响 AGN 的亮度,比如 1ES 1927+654 的核心,通过望远镜观察。

到 2018 年 5 月,这个物体的能量激增已经达到顶峰,喷射出更多的可见光,但紫外线辐射也比平时多出许多倍。 大约在同一时间,活动星系核的 X 射线辐射开始减弱。

“通常情况下,如果紫外线上升,你的 X 射线也会上升,”Scepi 说。 “但在这里,紫外线上升了,而X射线减少了很多。这很不寻常。”

转动它的头

JILA 的研究人员在去年发表的一篇论文中为这种不寻常的行为提出了一个可能的答案。

Begelman 解释说,这些特征不断地从外部空间吸入气体,其中一些气体还带有磁场。 如果活动星系核吸收了与自身方向相反的磁场——例如,它们指向南方,而不是北方——那么它自己的磁场就会减弱。 这有点像拔河队向一个方向拉绳子可以抵消对手向另一个方向拉的努力。

JILA 团队推测,有了这个活动星系核,黑洞的磁场变得如此微弱,以至于它会颠倒过来。

“你基本上完全消除了磁场,”贝格曼说。

在这项新研究中,由 NASA 领导的研究人员着手收集尽可能多的对 1ES 1927+654 的观测结果。

事实证明,紫外线和 X 射线辐射之间的脱节是确凿的证据。 天体物理学家怀疑,减弱的磁场会导致活动星系核的物理性质发生这样的变化——移动黑洞的吸积盘,使其喷射出更多的紫外线和可见光,而矛盾的是,更少的 X 射线辐射。 没有其他理论可以解释研究人员所看到的。

到 2021 年夏天,活动星系核本身会安静下来并恢复正常。但 Scepi 和 Begelman 将这一事件视为自然实验——一种探索的方式 close 前往黑洞了解更多关于这些物体怎样为明亮的辐射束提供燃料的信息。 反过来,这些信息可能会帮助科学家准确地了解他们应该寻找什么样的信号才能在夜空中找到更多奇怪的活动星系核。

“也许已经观察到了一些类似的事件——我们只是还不知道它们,”Scepi 说。