超大质量黑洞使合并星系变绿

绿色作为一种颜色可以指动物、植物或矿物。它是鳄鱼、叶绿素和铜绿的构成,是蛇纹石或草丛中蛇的本质,是冰川湖、死水塘和圣帕特里克节芝加哥河的色调。绿色似乎无处不在——无处不在,除了天上。尽管绿色在地球上无处不在,但在天空中几乎完全缺席。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


绿色作为一种颜色可以指动物、植物或矿物。它是鳄鱼、叶绿素和铜绿的构成,是蛇纹石或草丛中蛇的本质,是冰川湖、死水塘和圣帕特里克节芝加哥河的色调。绿色似乎无处不在——无处不在,除了天上。尽管绿色在地球上无处不在,但在天空中几乎完全缺席。

也有例外。在高纬度地区,绿色偶尔会在地球的天空中以极光的波状带出现,这是由太阳带电粒子激发的氧原子产生的。在行星中,只有天王星可以被称为绿色,这要归功于其大气层中吸收红光的甲烷,但它的真实颜色更接近于青绿色。彗星在紫外线阳光下烘烤碳时会呈现绿色,而落日的光线在穿过地球大气层最厚的部分时,可以激发出鲜艳的绿闪。但绿色不是恒星的颜色,由于量子力学和人类视觉的怪癖,我们只能将恒星从最冷到最热感知为红色、橙色、黄色、白色或浅蓝色。没有恒星会发出如此绿的光芒以至于其翠绿色能够被看到,因此天文学家长期以来一直认为,恒星所在的星系也不会是绿色的。

这就是为什么汉尼·范·阿克尔在2007年的发现如此怪异的原因。范·阿克尔是一位年轻的荷兰小学教师,她是一名志愿者,负责筛选斯隆数字巡天项目的图像,为公民科学项目星系动物园根据星系的颜色和形状进行分类。螺旋星系是恒星形成的宇宙场所,因其包含的所有明亮、炽热、年轻的太阳而发出蓝色光芒。椭圆星系由较冷、较老的恒星组成,发出黄色和红色光芒。但范·阿克尔在这里和那里发现了小的绿点,这些绿点无法归类。她称它们为“绿豌豆”,并在一个在线论坛中通知了其他星系动物园用户。


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在几个月内,星系动物园的志愿者在斯隆数据中发现了超过一百个绿色斑点。很快,世界上一些最强大的望远镜开始在天空中搜寻更多。光谱观测表明,范·阿克尔和其他星系动物园志愿者看到的绿色来自电离氧,这与地球天空中葱郁极光的来源相同。但是,要电离整个星系的氧并非易事。天文学家确定,一些绿色斑点是一类新的紧凑型、高光度星系——“绿豌豆星系”——其中强烈的恒星形成爆发产生了泛星系的紫外线辐射氧电离浴。

为了纪念范·阿克尔,天文学家开始将她发现的第一个天体称为“汉尼天体”,荷兰语意为“汉尼的物体”。然而,汉尼天体被证明不是绿豌豆星系——它更奇怪。汉尼天体不是紧凑且充满恒星,而是一团分散的、基本上没有恒星的气体云,它是从外部而不是从内部电离的。比恒星形成更奇异的东西导致了它的绿光。

之前的观测表明,汉尼天体和许多其他类似的“Voorwerpjes”(“小物体”)位于合并星系对的外围,这些星系对在其核心拥有活跃的、能量巨大的超大质量黑洞。现在,来自哈勃太空望远镜以及地面天文台的新数据表明,那些超大质量黑洞,每个都拥有数亿个太阳的质量,很可能是 Voorwerpjes 的动力源。这些发现将发表在《天文学杂志》上。(在此处查看所有新的哈勃图像。)

新的哈勃观测揭示了八个精心挑选的 Voorwerpjes 的新细节。它们显示,绿色的电离氧气环绕着发光星系的外边缘,距离它们的中心超过 30,000 光年,呈丝状、缠结的辫状,被潮汐力拉伸超过 10,000 光年长。这些由氧气和其他轻元素组成的潮汐流是很久以前星系吞噬的迹象,当时一个星系撕裂并吞噬了另一个星系。该论文的主要作者,阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校的天文学家比尔·基尔推测,Voorwerpjes 的绿光实际上是每次漫长餐后巨大嗝声的回声。

在每种情况下,回声都是的回声,而不是声音的回声:当两个包含超大质量黑洞的星系合并时,两个黑洞最终会互相绕轨道运行,并且每个黑洞都可以被合并过程中倾倒在它们身上的大量物质所喂养。涌入的物质在围绕一个或两个黑洞旋转的吸积盘中堆积时,会因摩擦而升温,变得非常热,从而产生强烈的硬辐射束,像探照灯一样照射到更广阔的星系中。这些光束中的紫外线以光速传播,需要数万年才能到达合并星系的边缘,在那里它们将电离氧气流,像跨越星系的电视屏幕一样照亮它们。当光线到达潮汐流中的氧气时,产生它的爆发早已结束,可能被围绕螺旋超大质量黑洞的超热吸积盘之间的相互作用所平息。但是,电离氧气会将事件记录下来,留下持续数千年的余辉。

尽管这些时间尺度看起来很长,但对于相互作用的星系和盛宴般的超大质量黑洞来说,它们非常短。因此,汉尼天体和其他 Voorwerpjes 可能是探测合并星系活跃、高能核心内发生的瞬态现象的最佳探测器之一。而且,如果它们实际上是由超大质量黑洞双星对驱动的,我们最终可能会有一个观看烟花的最佳位置。银河系拥有一个超大质量黑洞,就像我们最近的邻居岛宇宙——伟大的仙女座星系一样,这两个星系注定将在大约四十亿年后相撞。合并后,新合并的星系——银河仙女座星系——可能会被它们自己幽灵般的回声光芒所环绕。在遥远未来的短暂宇宙时刻,一位观星者可能会看到那场划时代合并的记忆,一片被绿色笼罩的夜空。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. 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 大众科学, 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 大众科学 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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