超大質量黑洞使合併星系變綠

綠色作為一種顏色可以指動物、植物或礦物。它是鱷魚、葉綠素和銅綠的構成,是蛇紋石或草叢中蛇的本質,是冰川湖、死水塘和聖帕特里克節芝加哥河的色調。綠色似乎無處不在——無處不在,除了天上。儘管綠色在地球上無處不在,但在天空中幾乎完全缺席。

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


綠色作為一種顏色可以指動物、植物或礦物。它是鱷魚、葉綠素和銅綠的構成,是蛇紋石或草叢中蛇的本質,是冰川湖、死水塘和聖帕特里克節芝加哥河的色調。綠色似乎無處不在——無處不在,除了天上。儘管綠色在地球上無處不在,但在天空中幾乎完全缺席。

也有例外。在高緯度地區,綠色偶爾會在地球的天空中以極光的波狀帶出現,這是由太陽帶電粒子激發的氧原子產生的。在行星中,只有天王星可以被稱為綠色,這要歸功於其大氣層中吸收紅光的甲烷,但它的真實顏色更接近於青綠色。彗星在紫外線陽光下烘烤碳時會呈現綠色,而落日的光線在穿過地球大氣層最厚的部分時,可以激發出鮮豔的綠閃。但綠色不是恆星的顏色,由於量子力學和人類視覺的怪癖,我們只能將恆星從最冷到最熱感知為紅色、橙色、黃色、白色或淺藍色。沒有恆星會發出如此綠的光芒以至於其翠綠色能夠被看到,因此天文學家長期以來一直認為,恆星所在的星系也不會是綠色的。

這就是為什麼漢尼·範·阿克爾在2007年的發現如此怪異的原因。範·阿克爾是一位年輕的荷蘭小學教師,她是一名志願者,負責篩選斯隆數字巡天專案的影像,為公民科學專案星系動物園根據星系的顏色和形狀進行分類。螺旋星系是恆星形成的宇宙場所,因其包含的所有明亮、熾熱、年輕的太陽而發出藍色光芒。橢圓星系由較冷、較老的恆星組成,發出黃色和紅色光芒。但範·阿克爾在這裡和那裡發現了小的綠點,這些綠點無法歸類。她稱它們為“綠豌豆”,並在一個線上論壇中通知了其他星系動物園使用者。


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在幾個月內,星系動物園的志願者在斯隆資料中發現了超過一百個綠色斑點。很快,世界上一些最強大的望遠鏡開始在天空中搜尋更多。光譜觀測表明,範·阿克爾和其他星系動物園志願者看到的綠色來自電離氧,這與地球天空中蔥鬱極光的來源相同。但是,要電離整個星系的氧並非易事。天文學家確定,一些綠色斑點是一類新的緊湊型、高光度星系——“綠豌豆星系”——其中強烈的恆星形成爆發產生了泛星系的紫外線輻射氧電離浴。

為了紀念範·阿克爾,天文學家開始將她發現的第一個天體稱為“漢尼天體”,荷蘭語意為“漢尼的物體”。然而,漢尼天體被證明不是綠豌豆星系——它更奇怪。漢尼天體不是緊湊且充滿恆星,而是一團分散的、基本上沒有恆星的氣體雲,它是從外部而不是從內部電離的。比恆星形成更奇異的東西導致了它的綠光。

之前的觀測表明,漢尼天體和許多其他類似的“Voorwerpjes”(“小物體”)位於合併星系對的外圍,這些星系對在其核心擁有活躍的、能量巨大的超大質量黑洞。現在,來自哈勃太空望遠鏡以及地面天文臺的新資料表明,那些超大質量黑洞,每個都擁有數億個太陽的質量,很可能是 Voorwerpjes 的動力源。這些發現將發表在《天文學雜誌》上。(在此處檢視所有新的哈勃影像。)

新的哈勃觀測揭示了八個精心挑選的 Voorwerpjes 的新細節。它們顯示,綠色的電離氧氣環繞著發光星系的外邊緣,距離它們的中心超過 30,000 光年,呈絲狀、纏結的辮狀,被潮汐力拉伸超過 10,000 光年長。這些由氧氣和其他輕元素組成的潮汐流是很久以前星系吞噬的跡象,當時一個星系撕裂併吞噬了另一個星系。該論文的主要作者,阿拉巴馬大學塔斯卡盧薩分校的天文學家比爾·基爾推測,Voorwerpjes 的綠光實際上是每次漫長餐後巨大嗝聲的回聲。

在每種情況下,回聲都是的回聲,而不是聲音的回聲:當兩個包含超大質量黑洞的星系合併時,兩個黑洞最終會互相繞軌道執行,並且每個黑洞都可以被合併過程中傾倒在它們身上的大量物質所餵養。湧入的物質在圍繞一個或兩個黑洞旋轉的吸積盤中堆積時,會因摩擦而升溫,變得非常熱,從而產生強烈的硬輻射束,像探照燈一樣照射到更廣闊的星系中。這些光束中的紫外線以光速傳播,需要數萬年才能到達合併星系的邊緣,在那裡它們將電離氧氣流,像跨越星系的電視螢幕一樣照亮它們。當光線到達潮汐流中的氧氣時,產生它的爆發早已結束,可能被圍繞螺旋超大質量黑洞的超熱吸積盤之間的相互作用所平息。但是,電離氧氣會將事件記錄下來,留下持續數千年的餘輝。

儘管這些時間尺度看起來很長,但對於相互作用的星系和盛宴般的超大質量黑洞來說,它們非常短。因此,漢尼天體和其他 Voorwerpjes 可能是探測合併星系活躍、高能核心內發生的瞬態現象的最佳探測器之一。而且,如果它們實際上是由超大質量黑洞雙星對驅動的,我們最終可能會有一個觀看煙花的最佳位置。銀河系擁有一個超大質量黑洞,就像我們最近的鄰居島宇宙——偉大的仙女座星系一樣,這兩個星系註定將在大約四十億年後相撞。合併後,新合併的星系——銀河仙女座星系——可能會被它們自己幽靈般的回聲光芒所環繞。在遙遠未來的短暫宇宙時刻,一位觀星者可能會看到那場劃時代合併的記憶,一片被綠色籠罩的夜空。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大眾科學. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大眾科學, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大眾科學 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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