《星際穿越》里的大黑洞“卡岡圖雅”周圍，為什么看不到太多明亮的星星？天文學家最新的一項發(fā)現(xiàn)，或許可以解釋其中的原因。圖片來源：華納兄弟
正在熱映的影片《星際穿越》里，“卡岡圖雅”可以說是當仁不讓的主宰，不僅扭曲時空為復雜的故事提供了上演的舞臺，還首次將超大質(zhì)量黑洞逼真地展現(xiàn)在大銀幕上，并由此引發(fā)了一場全民科（tǔ）普（cáo）熱潮。比如一些死理性派就吐槽說——超大質(zhì)量黑洞不是應該位于星系中心，被無數(shù)明亮的恒星包圍嗎？為什么電影里“卡岡圖雅”周圍看不到多少恒星？如果沒有被恒星包圍，它周圍吸積盤里的物質(zhì)又是從哪里來的？
無獨有偶，在11月21日出版的《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上，一個國際天文學家團隊公布了一項新發(fā)現(xiàn)，或許可以為《星際穿越》里孤獨的“卡岡圖雅”提供一個合理解釋。
他們分析了多個天文臺站長達數(shù)十年的觀測數(shù)據(jù)，在距離地球大約9000萬光年的一個矮星系中，發(fā)現(xiàn)了一個不同尋常的光點。那個矮星系名為馬卡良117，位于北斗七星的斗勺之中。那個光點則被稱為SDSS 1133，特征與超大質(zhì)量黑洞相符。盡管超大質(zhì)量黑洞通常存在于星系中心，但SDSS 1133距離這個矮星系的核心至少有2600光年。
2013年6月，這些科學家利用位于夏威夷莫納克亞山頂凱克天文臺口徑10米的凱克Ⅱ望遠鏡，獲得了這個天體的高分辨率近紅外影像。通過對照片的分析，他們發(fā)現(xiàn)SDSS 1133的發(fā)光區(qū)域寬度不到40光年，而馬卡良117的中心也顯現(xiàn)出了恒星密集形成的跡象，還有其他特征表明這個星系最近發(fā)生過動蕩。
凱克Ⅱ望遠鏡拍攝的高分辨率近紅外影像，顯示SDSS 1133的發(fā)光區(qū)域寬度不到40光年，而馬卡良117的中心也顯現(xiàn)出了恒星密集形成的跡象。圖片來源：凱克天文臺
研究團隊猜測，這可能是兩個星系及其中心黑洞并合的后果。兩個星系的碰撞與并合，會瓦解它們原本的形狀，產(chǎn)生新一輪恒星形成熱潮。如果每個星系的中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，在兩個星系合二為一之后，它們就會在新的星系中心構成一對“雙星”，最終也會合并在一起。
按照愛因斯坦的引力理論，黑洞在并合過程中會以引力輻射的形式釋放大量能量。不斷加速的質(zhì)量會向四面八方輻射出引力波，也就是時空結構中的漣漪。如果兩個黑洞質(zhì)量相同，自轉也相同，它們的并合產(chǎn)生的引力波在各種方向上就會是均勻的。但更可能出現(xiàn)的狀況是，它們的質(zhì)量和自轉都不一樣，這就會產(chǎn)生不平衡的強力波輻射，將黑洞朝相反方向彈射出去。
這樣的彈射有可能足夠強勁，直接把黑洞扔出它所在的星系，從此永無止境地在星系際空間流浪下去。更常見的情況是，黑洞被彈射到一個長橢圓軌道上。盡管位置發(fā)生了變化，被彈射出去的黑洞仍會保留它周圍的熾熱氣體，繼續(xù)發(fā)光發(fā)亮，直到這些氣體全部被它耗盡為止。
聽起來是不是很像《星際穿越》里的“卡岡圖雅”，一個遠離星系中心、孤獨游蕩在黑暗之中的超大質(zhì)量黑洞？就這個問題，果殼網(wǎng)“科學人”專門采訪了這項研究的第一作者、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的天文學家邁克爾·科斯（Michael Koss）。
距離我們最近的大星系——仙女座大星系的中心，就有一個質(zhì)量相當于1億倍太陽的超大黑洞，與《星際穿越》里“卡岡圖雅”的設定十分相似。圖片來源：wikipedia.org
“‘卡岡圖雅’有可能是一個與SDSS 1133類似的超大黑洞，”雖然還沒有看過《星際穿越》，科斯已經(jīng)跟其他看過電影的合作者討論過相關的話題，“電影中的這個黑洞，是在影射仙女座大星系（M31）中心的那個黑洞，那個質(zhì)量超大而又以最高速度自轉的黑洞。40億年后，如果我們的銀河系與仙女座大星系發(fā)生并合，也會發(fā)生一場劇烈的黑洞彈射?！?/span>
斯科對“科學人”解釋說，“一個被彈射出星系的黑洞，確實比位于星系致密中心的黑洞要孤獨許多。但很有可能，這個黑洞仍然會保留一部分氣體和物質(zhì)在它的吸積盤中，或者在穿越星系的過程中沿途吸積一部分物質(zhì)。吸積，或者說物質(zhì)落向黑洞而釋放出引力能，是已知利用質(zhì)量來獲取能量的效率最高的方式，因此黑洞通過吸積盤來維持較長時間（比如上百萬年）的發(fā)光，其實消耗不了太多的物質(zhì)。”
不過，研究團隊目前還無法百分百確定，SDSS 1133就一定是一個被彈射出原星系的超大黑洞。另外一種可能，它是一顆極為罕見的高光度藍變星（Luminous Blue Variable，LBV）。此類恒星在最終爆炸前很久，便會經(jīng)歷周期性的爆發(fā)，將大量質(zhì)量拋入太空。按照這種解釋，SDSS 1133可能是有史以來觀測到的周期最長的高光度藍變星。
我們銀河系中距離最近的此類恒星，是大質(zhì)量雙星系統(tǒng)海山二（η Carinae），其中包含了一顆質(zhì)量約為太陽90倍的高光度藍變星。在1838年到1845年間，這個系統(tǒng)經(jīng)歷了一場爆發(fā)，拋射出至少10倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，使得它成為當時天空中第二明亮的星星。19世紀90年代，它又經(jīng)歷了一場規(guī)模較小的爆發(fā)。
哈勃空間望遠鏡拍攝的海山二，包含了一顆質(zhì)量約為太陽90倍的高光度藍變星。如果SDSS 1133不是“卡岡圖雅”那樣的超大黑洞，那必定是一顆持續(xù)爆發(fā)了近60年的高光度藍變星。圖片來源：NASA
如果把SDSS 1133解釋成一顆高光度藍變星，這顆恒星至少必須從1950年開始就幾乎持續(xù)不斷地爆發(fā)，直到2001年亮度達到頂峰，并發(fā)生超新星爆炸。1950年之前的望遠鏡，不論是空間分辨率還是靈敏度，都不足以檢測到這個天體。但如果真是高光度藍變星的持續(xù)爆發(fā)，現(xiàn)有觀測記錄就足以使得它成為最長久和最持續(xù)的高光度藍變星。
科斯說，根據(jù)手頭掌握的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在還無法分辨它到底是哪種情況。過去6個月來，SDSS 1133增亮明顯，如果這一趨勢持續(xù)下去，就將支持黑洞解釋。為了更細致地分析這個天體，研究團隊計劃在2015年10月，利用哈勃空間望遠鏡上的宇宙起源攝譜儀，對它進行紫外線觀測。
不管這是一個被驅逐的超大質(zhì)量黑洞，還是一顆罕見恒星的臨終表演，SDSS 1133似乎都是天文學家以前從來沒有看到過的一種天文現(xiàn)象。（編輯：老貓）
參考文獻Michael Koss, et al., “SDSS1133: an unusually persistent transient in a nearby dwarf galaxy,” MNRAS (November 21, 2014) 445 (1): 515-527; doi: 10.1093/mnras/stu1673
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