前段時間，歐洲南方天文台和智利千禧天體物理研究所的天文學家報道稱，人類可能首次觀測到星系中心超大質量黑洞的蘇醒過程。
這個超大質量黑洞位于處女座上一個橢圓星系（SDSS 1335+0728）的中心，距離地球 3 億光年，質量相當于 100 萬個太陽。在此前幾十年的觀測中，它一直處于平靜的休眠狀态。從 2019 年 12 月開始，它變得異常活躍，并持續到現在。該發現以 "SDSS 1335+0728：一個百萬倍黑洞質量的蘇醒 " 爲題，刊登在《天文與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）科學雜志上。
星系 SDSS 1335+0728 核心明亮起來。圖片來源：European Southern Observatory
黑洞是什麽？
黑洞是宇宙中極端引力的産物。有質量的物體普遍對外界存在着一種吸引力量，即萬有引力。質量大的天體通過自身強大的引力，可以将周圍的物體束縛在其附近，物體若要逃脫該天體的引力束縛，需要具備更快的速度。例如，在地球表面發射一枚火箭，當火箭速度超過每秒 11.2 千米，就可以擺脫地球引力束縛進入太空。天體對周圍産生的引力越強，要離開它所需要的速度就越快。
如果一個天體的引力足夠強大，以至于連宇宙中運動速度最快的光都無法從中逃離出來，它就會被稱爲黑洞。
要産生這樣強的引力效應，需要質量很大而半徑很小的天體。在我們的宇宙中，一些大質量的恒星經過演化，最後會坍縮成一個黑洞，這種黑洞的質量通常是太陽質量的幾倍到幾十倍，而在星系的中心，通常還存在着一個百萬到百億倍太陽質量的超大質量黑洞。這次，天文學家研究的就是在一個星系中心的超大質量黑洞。
黑洞概念圖。圖片來源：uchicago news
既然黑洞裏的光無法逃逸出來，那麽我們怎麽知道它的存在呢？确實，我們無法直接看到黑洞自身，但黑洞對外界産生的強大引力卻會暴露它的存在。通過跟蹤黑洞對外界産生的影響，可以捕獲到黑洞的蹤迹。例如，一項獲得 2020 年諾貝爾物理學獎的科學成果，就是因爲監測到銀河系核心區域的許多恒星都在圍繞中心一個位置繞轉，并由此推算出那裏應該存在一個質量很大的黑洞。
銀河系核心區域的恒星圍繞着中心一點繞轉。圖片來源：參考文獻 [ 2 ]
黑洞的 " 休眠 " 與 " 活躍 "
這種圍繞大質量黑洞旋轉的恒星，如果沒有受到其他幹擾，它的角動量通常不會損失。物體繞轉産生向外的離心力，抵抗了黑洞向内的引力，從而達到平衡，物體就不會掉入黑洞。這與月球重複繞地球旋轉而不會掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質保持 " 相安無事 "，黑洞周圍是一片平靜的狀态，從觀測者視角看，此時的黑洞像是處在休眠狀态。
當星系核區的物質受到某種幹擾損失了角動量，由于向外的離心力減小，無法抵抗黑洞向内的引力，物質就會落入黑洞。在下落過程中，這些物質會形成一個盤狀結構，盤中的物質一邊繞黑洞快速旋轉，一邊逐步落入黑洞中，這個過程被稱爲 " 吸積 "。
物質掉落黑洞的過程，會釋放巨大的引力能，并最終通過各種能量形式輻射到宇宙空間。這個過程所輻射的巨大能量，甚至可以超過整個星系所有恒星輻射的總和，使得星系核心非常明亮。此時的黑洞，正處在吞噬周圍物質的活躍狀态。
星系中心黑洞吞噬周圍外界物質，并向外釋放能量。圖片來源：Shasthra Snehi
目前，" 休眠 " 和 " 活躍 " 這兩種狀态的黑洞，都已被大量觀測到。但是，這兩種狀态的切換過程還沒有被明确觀測到。
星系 SDSS 1335+0728 新發現
2019 年 12 月，天文學家首次發現星系 SDSS 1335+0728 的中心區域非常明亮。起初，他們以爲那隻是一個普通的處于活躍狀态的超大質量黑洞的吸積現象，然而，回顧過去 20 年的觀測數據，都沒有發現它活躍的迹象，也就是說，這個超大質量黑洞過往一直是 " 休眠 " 狀态，直到近些年才開始 " 活躍 "。
從 2019 年之後，星系 SDSS 1335+0728 一直保持着活躍黑洞的輻射特征，産生很強的高能 X 射線、紫外線輻射，以及很強的紅外波段的輻射。對于這一不同尋常的現象，天文學家試圖給出合理的解釋，目前可能性較大的解釋有以下兩種。
1. 對恒星的吞噬
當一顆恒星運行到距離星系中心黑洞過近的位置時，會被黑洞的強大引力撕裂，拉伸成細長的 " 面條 " 結構，并逐漸掉落到黑洞中。這個過程通常伴随着短暫的能量釋放，使得原本沉寂的星系中心會由此突然變亮，這種天文現象通常被稱爲 "潮汐瓦解事件（TDE）"，之所以這樣命名，是因爲這一過程的原理類似于我們地球上海水的潮汐現象。
我們知道，引力的大小随着距離的增大而減小，地球上不同位置的海水到月球的距離不同，距離月球較近的海水受到的引力較大，而距離月球較遠的海水受到的引力較小。這種引力差，導緻整個海洋産生形變，引發海水漲落，從而出現我們所看到的潮汐現象。
同樣地，黑洞附近的恒星，其不同位置受到的黑洞引力大小也不相同。恒星距離黑洞越近，這種引力差就越明顯。當恒星過于靠近黑洞時，強大的引力差可以超過恒星自身的束縛力，從而将恒星撕裂開來，被撕裂的恒星物質逐步落入黑洞，并發出強烈的輻射。若在此時進行觀測，會發現星系中心突出變亮。
超大質量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解過程。圖片來源：HubPages
近些年，潮汐瓦解事件（TDE）已經在天文觀測中被多次發現。那麽，此次星系核心的異常變亮現象，能否用 " 潮汐瓦解 " 來解釋呢？
天文學家分析發現，它在幾個方面并不符合一個典型的潮汐瓦解事件（TDE）特征。比如，潮汐瓦解事件（TDE）産生的亮度變化一般隻持續幾十天，最多幾百天。而這次的星系核心區域直到現在還在變亮，距離第一次發現已經超過 4 年了。
當然，由于目前人們對潮汐瓦解事件（TDE）的了解還不夠清楚，我們還不能完全排除這一可能性。也許，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件（TDE）。例如，被黑洞撕裂的不是一顆恒星，而是附近一個較小的衛星星系。如果這确實是一次潮汐瓦解事件（TDE），那麽它會是人類所知的持續時間最長、亮度最微弱的 " 潮汐瓦解 "。
2. 黑洞在蘇醒
本次觀測到的星系 SDSS 1335+0728 特性，和其他正處在活躍狀态的星系核并無太大差異。加利福尼亞理工學院天文系的研究教授馬修 · 格雷漢姆猜測，或許這個星系沒有什麽特殊性，我們隻是恰巧捕捉到了一個特别時刻。
宇宙中星系的中心通常都存在着一個超大質量的黑洞。通過觀測發現，有些星系中心的黑洞處于平靜狀态，有些則處于活躍狀态。統計結果顯示，活躍狀态的黑洞數量遠少于平靜狀态的黑洞數量，這意味着黑洞處于活躍狀态的時間隻占少部分。
如果把星系中心的超大質量黑洞比作一隻巨獸，那麽這隻巨獸在大部分時間裏處于沒有食物可吃的休眠狀态，隻有少部分時間處于捕食進餐的活躍階段，當食物被吃光消化後，它會再次恢複到平靜狀态。
如果星系中心的黑洞都要經曆一次或多次從平靜狀态進入活躍狀态、再回到平靜狀态的周期轉換，那麽這些狀态的轉換過程，爲什麽沒有被人們廣泛觀測到呢？這是因爲黑洞某個狀态所持續的時間（典型時标在百萬年）相對于人類有限的現代天文觀測曆史（不足百年）來說是非常漫長的。或者說，人類目前的觀測隻能目睹整個黑洞演化曆程中某個短暫的瞬間。
隻有當這個瞬間恰好對應于黑洞從休眠狀态剛剛向活躍狀态轉換的時刻，我們才有機會目睹黑洞的 " 蘇醒 "。如果在這個時間節點附近觀測，就既可以覆蓋到黑洞的休眠階段，又能覆蓋到黑洞的活躍階段，而這樣的關鍵時刻自然是不易碰到的，這或許就是黑洞之前一直沒有被人們看到的原因。
結語
現在，天文學家依然在持續關注這個超大質量黑洞，準備利用詹姆斯 · 韋布空間望遠鏡對它進行更深入的後續觀測和研究，以徹底弄清它異常活躍的原因。這将有助于我們預測這個黑洞未來是重歸平靜還是繼續活躍，并加深我們對星系中心超大質量黑洞生長、演化過程的認識。
參考文獻
[ 1 ] S á nchez-S á ez et al. ( 2024 ) ; SDSS1335+0728: The awakening of a ∼ 106M ⊙ black hole
[ 2 ] Genzel, Eisenhauer & Gillessen ( 2010 ) ; The Galactic Center massive black hole and nuclear star cluster
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨李臻臻 中國科學院上海天文台；時雪草 上海科技教育出版社
監制丨中國科普博覽
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