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宇宙星系每114 天闪光一次 科学家终于找到答案了

一个距离地球 5.7 亿光年远的星系,大约每隔 114 天,就会像烟花一样发出闪光,这几乎像设定好的闹钟一样准时。至少从 2014 年开始,有天文台就记录下这种奇异现象。而如今,天文学家们通过拼凑的零碎信息找出了原因。

这个奇怪的星系被命名为 ESO 253-G003。在星系中心,有一颗恒星正围绕着超大质量黑洞运转。每隔 114 天,两者之间的距离就接近到足以使黑洞将恒星的一些物质吸走,从而产生跨越多个波段的明亮闪光。然后恒星离黑洞又越来越远,直至下次再次接近黑洞,又有部分物质被吸走点亮。由于闪光发生的规律性,天文学家给这个星系取了个 “老忠实”的绰号。

这项研究的第一作者,夏威夷大学天文学家安娜 · 佩恩(Anna Payne)说,“这些是我们从星系中心观察到的最具规律性且发生最频繁的多波段闪光,这为我们研究‘老忠实’这个星系提供了独特机遇。”

佩恩补充说,“我们认为,星系中心的超大质量黑洞造成了爆炸,因为它正在吞噬绕其运行的巨型恒星的部分物质。”

2014 年 11 月,全天候超新星自动搜索系统 (ASAS-SN)首次探测到了这些闪光。当时,天文学家认为这种现象源自 ESO 253-G003 星系中的超新星。

但在 2020 年,当佩恩在查看 ASAS-SN 上有关 ESO 253-G003 的数据时,她发现了来自同一处的多个闪光。

佩恩总共整理出了 17 次闪光发生,每次间隔约为 114 天。她和团队随后预测该星系将在 2020 年 5 月 17 日、9 月 7 日和 12 月 26 日再次爆发闪光,结果如期所至。

研究人员将重复爆发的闪光命名为 ASASSN-14ko,这种有规律的现象意味着他们能够用美国国家航空航天局(NASA)强大的凌日外行星勘测卫星(TESS)对去年 5 月份发生的闪光进行更详尽的观测。在此之前,其他仪器的观测结果已经为研究人员提供了不同波长范围内的数据。

俄亥俄州立大学天文学家帕特里克 · 瓦莱利(Patrick Vallely)表示,“TESS 提供了一幅关于星系特殊闪光的详尽照片,但由于该卫星探测太空的特殊方式,其无法观察到所有爆发的闪光。”瓦莱利指的是 TESS 只能对着一个区域观测 27 天。“而 ASAS-SN 虽然收集到的闪光爆发细节较少,但涵盖范围较广,这在对特殊闪光的观测中至关重要。这两种研究方式能够相互补充。”

研究人员最初推测,由于超新星爆发会破坏原有恒星,因此只会在夜空中闪烁一次,然后就消失了,因为这样的事件会摧毁最初的恒星;所以在可见光、紫外线以及 X 射线波段反复产生亮光的一定是其他什么东西。

其实,这并不是第一次发现因超大质量黑洞吞噬恒星而产生规律性的闪光。去年就发现了一个周期为 9 小时的类似闪光。但 ESO 253-G003 的情况更特殊。

这是因为研究人员发现,ESO 253-G003 实际上是两个处于合并最后阶段的星系,这意味着星系中心应该有两个超大质量黑洞。

有研究表明两个相互作用的超大质量黑洞可以导致闪光反复发生。但是研究人员通过观测认为,ESO 253-G003 中心的两个超大质量黑洞距离太远,还不足以反复产生闪光。

另一种可能性是,黑洞在吞噬物质时会形成吸积盘,而一颗恒星在围绕黑洞运行的过程中反复穿越吸积盘,从而产生耀眼的光芒。但研究人员也排除了这一点。因为如果这颗恒星以不同的位置和角度穿越吸积盘时,其每次产生的闪光应有所不同;但观测结果表明,来自 ESO 253-G003 星系中心的闪光几乎完全一致。

第三种可能是反复发生的潮汐破坏事件。具体的说,就是一个较大质量天体不断从绕其运转的较小天体上剥离物质。

研究人员推测,如果一颗恒星沿着偏心轨道绕黑洞运行,而公转周期正好是 114 天,那么当它接近黑洞时就会产生潮汐破坏事件,恒星的部分物质被黑洞剥离,恒星继续绕黑洞运行。

当这些剥离物质与吸积盘中的物质发生碰撞时,就会产生闪光。这似乎就是 ESO 253-G003 星系正在发生的事情。

考虑到这种情况,研究小组深入分析了观测结果。他们研究了每个闪光的光曲线,并与其他已知的黑洞潮汐破坏事件进行了比较。他们确定,这颗恒星很可能绕着一个质量相当于 7800 万个太阳的超大质量黑洞运转。

在每一次接近黑洞的时候,这颗恒星都会损失约 0.003 个太阳质量 (也就是 3 个木星的质量),这足以形成天文学家能够观测到的闪光,同时让这颗恒星继续存在下去。

“如果一个带有膨胀外层的恒星沿着非常狭长的轨道运行,当其距离黑洞足够近、但也不是太近的情况下,黑洞就会剥离一些物质,且不会撕裂整个恒星。”夏威夷大学天文学院天文学家本杰明 · 夏皮(Benjamin Shappee)说。“在这种情况下,这颗巨大的恒星会一次又一次地返回,直至消耗殆尽。”

目前尚不清楚恒星和黑洞的这种现状已经持续了多久时间,因此很难计算出这颗恒星还能存活多久。但是研究团队已经预测出接下来的两次闪光发生时间分别在今年的 4 月份和 8 月份,研究人员计划对其进行更多的观测。

这是了解超大质量黑洞质量吸积的极难得机会。

俄亥俄州立大学天文学家克里斯 · 斯坦内克(Kris Stanek)说 :“总的来说,我们真的很想了解这些黑洞的性质以及它们是如何成长的。”“准确预测下一事件发生时间的能力,让我们能够获取原本无法获取的数据,而且我们已经有所收获。”

责任编辑:Rex_25