人类首次在早期宇宙中发现亮度剧烈变化的类星体，揭示黑洞快速演化之谜

IT之家 6 月 14 日消息，天文学家观测到一颗遥远的类星体亮度出现了剧烈变化，其光度变化相当于太阳亮度的 2 万亿倍。这是人类首次在早期宇宙中发现亮度闪烁的类星体，该天体形成于 129 亿年前，也就是宇宙大爆炸后仅约 9 亿年。类星体是部分星系中心活跃度极高的超大质量黑洞。大量气体不断涌向黑洞并被其吞噬，黑洞也在这场疯狂的吞噬过程中不断成长。气体围绕黑洞的事件视界旋转，事件视界是黑洞的边界，一旦越过便再无物质能够逃离。气体因剧烈摩擦急剧升温，进而释放出耀眼光芒。此外，磁场会裹挟气体中的带电粒子，形成强劲明亮的喷流，从超大质量黑洞中向外喷射。正因如此，类星体成为宇宙中最明亮的天体之一。人类目前已在宇宙中发现超百万颗类星体，但其中仅有约 200 颗诞生于宇宙大爆炸后的最初 10 亿年里。绝大多数类星体都会出现亮度波动，不过变化幅度通常较小。在此之前，天文学家从未在宇宙诞生最初十亿年的类星体中观测到如此明显的闪烁现象。麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的吉恩・梁在一份声明中表示：“我们早已知道，附近宇宙中的类星体会发生亮度闪烁。这种现象源于流入黑洞的气体流量出现波动，而类星体的闪烁特征，能帮助我们了解黑洞吸积盘的结构，以及黑洞吞噬物质的状态。”这颗特殊的类星体总光度相当于 12 万亿个太阳，其亮度波动幅度约达 20%，差值等同于 2 万亿个太阳的亮度。如此剧烈的变化，也直观体现出这颗黑洞的成长速度有多快。尽管亮度变化极为显著，但由于距离过于遥远，这颗类星体在观测视野中依旧十分昏暗，想要捕捉到它的亮度波动绝非易事。它的光线在宇宙中穿行亿万年，再加上宇宙膨胀效应，光线波长被不断拉长，偏向红光波段，这一现象被称作红移。宇宙中的“摇曳烛火”：遥远类星体明暗交替吉恩・梁与麻省理工学院的同事安娜 - 克里斯蒂娜・艾勒斯带领研究团队，借助美国国家航空航天局已停止运行的近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE）的历史观测数据，最终找到了这颗罕见的闪烁类星体。该探测器连续 14 年对整片天空开展扫描，主要任务是监测具有潜在威胁的小行星，同时也记录下了宇宙深空的诸多天象。受红移影响，这颗类星体的亮度波动频率也随之降低。光线刚离开天体时，原本数日一轮的亮度变化，在抵达地球后，周期被拉长至数月之久。也正因如此，NEOWISE 长达十余年的观测数据才显得尤为关键。梁说道：“在这 14 年里，我们看到这颗类星体的光芒毫无规律地明暗交替，就像风中摇曳的烛火。”类星体在不同波段的亮度变化，与其周围旋转气体的温度波动密切相关。气体距离黑洞越近，温度就越高。研究团队据此推断，环绕这颗黑洞的气体已形成一个极为扁平、形似薄饼的吸积盘。对于演化成熟的类星体而言，这样的结构并不稀奇，但出现在如此“年轻”的类星体身上，却有着颠覆性的研究意义。按照现有理论，超大质量黑洞的成长过程本就杂乱无序。宇宙大爆炸后仅 8.5 亿年形成的早期类星体，其外围的吸积气体云本应松散蓬松，如同形态混乱的厚环状结构，只有当类星体逐步演化成熟后，气体才会聚拢成扁平的薄饼状吸积盘。简单来说，这颗早期类星体的演化状态，远超它所处的宇宙年龄。艾勒斯解释道：“这一发现说明，黑洞在成长初期都会经历一段杂乱且高速的演化阶段，而这个阶段出现得极早，远早于它们演变为明亮类星体的时期。这也是我们目前梳理出的新研究结论。”如今，越来越多证据表明，超大质量黑洞可由气体云直接坍缩形成，其诞生速度远超人类以往认知。詹姆斯・韦伯空间望远镜在早期宇宙中发现的大量“小红点”，也印证了这一点。而这颗 129 亿年前就已演化成熟的类星体，进一步支撑了超大质量黑洞诞生早、演化快这一新理论。梁表示：“这意味着在更早的宇宙时期，必然存在某种机制，让这类天体快速走向成熟。”接下来，研究团队计划借助詹姆斯・韦伯空间望远镜，搜寻更加古老的类星体（目前人类发现的最古老类星体诞生于 132 亿年前），试图揭开它们快速演化的背后奥秘。IT之家注意到，该项研究成果已于 6 月 8 日（周一）发表在《自然・天文学》期刊上。