微类星体带来大谜团

skystar

着：Mark Sincell 译：Shea

  
    为了揭开隐藏在类星体背后的秘密，天体物理学家正在仔细研究它的微缩对应体——微类星体，但是却发现微类星体带来了更大的谜团。

    与普通的观点相反，黑洞是个挑剔的食客。尽管这些重达数十亿太阳质量的巨兽每年可以吞食一个太阳质量的物质，但是它却为类星体提供动力而且会喷出等质量的物质。

    数十年来，射电天文学天文学家发现有细长的喷流对从类星体的中心喷出，并且形成巨大的“瓣”（lobe），有点像大象展开的耳朵。虽然已对此进行了深入的研究，但是，“我们对喷流的认识仍是一无所知，”戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天体物理学家琼·斯万克（Jean Swank）说。喷流由什么组成，它们形成的原因，是什么使它们保持稳定——这些都是未解之谜。

    问题是类星体的喷流变化得很缓慢。尽管有时喷流中个别的小云（blob）似乎会以超光速运动——这是当物体本身具有极高的速度（接近光速）并且朝向地球运动时所产生的光学错觉，但是喷流的确非常得长。一个单独的瓣就和星系中的旋臂等长。因此，天文学家必须花费数十载来观察类星体喷流的运动和变化。

    所以，当法国原子能委员会（France's Atomic Energy Commission，CEA）的法利克斯·米勒贝尔（Felix Mirabel）和天文学会的路易斯·罗琴格兹（Luis Rodriguez）在1994年发现名为GRS 1915+105的黑洞候选者有一对微缩的射电喷流时，他们感到分外地激动。就像庞大的类星体，这个新命名的微类星体偶尔也会发射出以超光速运动的小云。事实上，这些喷流精巧地复制了秒差距尺度的类星体喷流，但它们却又一个至关重要的不同之处：这些喷流以分钟作为变化的时间单位，而不是年。

    “微类星体是研究喷流形成的理想实验室，”康奈尔大学的天体物理学家史蒂文·艾肯拜瑞（Stephen Eikenberry）说。它们的出现使天文学家开始大规模的搜寻，以期找到更多的微类星体。从米勒贝尔和罗琴格兹发现微类星体以来，地基和空间的射电、近红外、光学、X射线和γ射线的联合观测通过探测微类星体的射电喷流已找到了一打目标。

    然而，有多少微类星体能反映正常尺度的类星体正在被讨论之中。它们是否真的拥有揭开类星体喷流形成之谜的钥匙？或者仅是表面相似的巧合？回答这些问题是新一代轨道X射线望远镜，包括钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）、X射线时变探测器（Rossi X-ray Timing Explorer）、欧洲空间局的XMM-Newton卫星和积分卫星（Integral satellites）的主要任务之一。

    一些天文学家认为外貌上的相似会被证明只是假象。“就目前而言，对微类星体的观测并没有改变我们对类星体的认识，”华盛顿大学的天文学家布鲁斯·马刚（Bruce Margon）说。马刚注意到驱动微类星体的黑洞质量大约与恒星相仿；但在“真正”类星体中的黑洞质量是它的十亿倍。他说：“几乎没有物理学家能处理像这种物理量相差9个数量级的情况。”这两种天体的进食习惯使它们显得与众不同。类星体的黑洞是被隔离的“巨兽”吞食着从周围流入的炽热气体。微类星体中的黑洞则更有社会属性：每个已知的微类星体都围绕一个巨大的气体伴星旋转，这颗伴星倾倒自身的气体到黑洞中。

    无论这些气体的来源是什么，科学家相信当气体靠近黑洞中心时，无论是类星体还是微类星体的，它们都会塌缩成一个绕黑洞旋转的气体盘，有些像绕太阳转动的行星。但是它们又有不同之处，在所谓的吸积盘中的稠密气体会逐渐损失能量并盘旋着掉入黑洞。这些损失的轨道能量会加热吸积盘，因此气体接近黑洞时它的温度会升高。当气体即将掉入黑洞时，它的温度会疾升到10亿度并且辐射出大量的X射线。

    许多理论家怀疑类星体的喷流是气体与其自身的磁拱互相作用的结果。旋转的吸积盘缠绕起磁拱，就像缠绕玩具飞机内的橡皮筋。当磁拱接近黑洞时，磁场张力随之增大，将磁拱编进垂直出现在吸积盘上的磁穗（magnetic braids）中。炽热的辐射气体变会从吸积盘向上涌出，通过磁穗线，就像水通过管道，形成了明亮的、被磁化的喷泉，这就是天文学家所说的喷流。

    理论家认为相同的机制可以解释微类星体，但有一个关键的不同之处：类星体的喷流几乎不发生变化很稳定，而微类星体的喷流却时刻在变。例如，在GRS 1915+105中，大约每隔30分钟，在喷流的基部就会产生一个新的射电小云，之后它会加速至超光速并沿着喷流向外部疾驰，然后渐渐消失。在其他的微类星体中，发自喷流的光会大幅度的波动。通过比较微类星体的射电及X射线观测数据，天文学家发现了证据，超光速的小云和X射线亮度的变化都源自于微类星体在两个不同状态之间的变动。

    “在银河系中源自黑洞吸积盘的X射线存在两种不同的模式，”Anton Pannekoek天文学会（Astronomical Institute-Anton Pannekoek，AIAP）的罗勃·范德（Rob Fender）解释道。在所谓的高/软状态下，吸积盘辐射出明亮的低能“软”X射线。另一方面，当微类星体进入低/硬状态，X射线减弱，但它们的光谱则移向能量更高的“硬”X射线一端。现在，范德、艾肯拜瑞、米勒贝尔以及他们合作者的独立观测预示GRS 1915+105的超光速小云形成时微类星体正在进行状态改变。而且CEA的天体物理学家尼克·泰戈（Michel Tagger）认为他可以解释其中的缘由。

    一个由泰戈的小组发展并由计算机模拟确认的理论认为，被磁化的吸积盘很自然地会大量产生螺旋波（spiral wave），有点类似银河系的旋臂。在泰戈的模型中，当螺旋波由磁场的内部朝向黑洞的边缘扫过磁场时，微类星体便处于高/软状态——即所谓的“最深处稳定轨道”，距黑洞仅100公里。如果再靠近一些，黑洞的引力会强大到使没有东西能维持在其圆周轨道上；被吸积的气体会径直掉入黑洞。

    然而，磁场却不会追随注定要被毁灭的气体。相反，它会在黑洞的边缘聚积，直到因缠绕而增大的张力突然使之断裂，就像一根被拉得过长的橡皮筋。这时爆炸会摧毁吸积盘内部发射软X射线的部分，并允许硬X射线通过，而且微类星体也回复到了低/硬状态。与此同时，被毁部分的能量会发射一个小云进入喷流，就像在观测中看见的那样。天体物理学家认为，如果这一理论可以拓展到类星体，那它也许能解释神秘的两种现象：一种是强射电类星体，它有喷流；另一种是更普遍的射电宁静类星体，它们根本就没有喷流。射电宁静的类星体可能仅仅是超大质量的类星体正处于高/软状态。

    泰戈的理论基于一个重要的假设。为了使这一理论奏效，吸积盘必须延伸到距黑洞最近的稳定轨道。然而，在黑洞附近的引力扰动下，只需一点儿力就可以摧毁或吹散向这一轨道运动的气体。这些气体是否真的达到了这一至关重要的距黑洞仅100公里处的轨道呢？来自微类星体的X射线的微小变化也许在诉说，回答也许是肯定的——至少有些时候是如此。

    微类星体的引力使吸积盘中的物质围绕黑洞大约每秒钟转1000圈，就像太阳的引力使地球每365天完成一次公转，并且使行星进入一个小一些的轨道进而使它们加速。在最内部的一小团气体会以接近光速的速度飞速运动。在通过指向地球的地方时，它会发射出一束X射线，这有点像在圆形场地上行驶的汽车的前灯。

    实际上，这些类似于“前灯”的X射线信号已经被探测到了。研究微类星体的天文学家测量发现，其X射线以一定的比率起伏，遵循一个固定的中心频率——有时略微高一些，有时略微低一点。这一现象在1985年首次被观测到，这些准周期振荡（quasi- periodic oscillations，QPOs）已在大多数已知的微类星体中被观测到。典型QPO的频率应与在最内部轨道绕黑洞旋转的气体的频率相近。就目前的困难而言，绕转气体模型只是许多种解释频率变化的理论之一。这些变化——意如“准”字在准周期中的含义——使得科学家十分小心的对待这些有多种解释的现象。“这些QPO的频率确定地在一定范围内，但其他的过程也可以产生类似的效果，”AIAP地天文学家米切尔·克利斯（Michiel van der Klis）说。

    另一个对磁场—喷流理论的考验是测量微类星体喷流的速度。泰戈的模型预言，黑洞—吸积盘系统喷出的物质将以接近光速的高速运动。在三个微类星体中探测到的超光速小云与此匹配得很好。计算显示为了制造超光速的错觉，那些喷流至少要以光速的80%至90%运动。但是，仅有一个微类星体喷流的速度得到了测量。“如果我们已经测得了多个速度值，那么我们至少可以问一个基本的问题：是否所有的速度都相同？”马刚说，“但现在，我们甚至都无法发问。”

    直接测量喷流的速度是极困难的，因为我们对微类星体的距离几乎一无所知。从大体上讲，精确的测量值可以从喷流发出的光中获得。一团静止的炽热气体的原子会辐射特定频率的光，在光谱上就会形成明亮的发射线。但是，朝相背方向高速运动的喷流的炽热气体所产生的发射线会被劈成两对。多普勒效应会升高指向我们的喷流的发射线的频率，同时降低离我们而去的喷流的发射线的频率。两条经多普勒频移的发射线之间的频率差别直接与喷流的速度成比例。

    迄今为止，天文学家只在一个天体中发现了这些成对的谱线——SS433。不幸的是，那些数据却带来了更多的疑团。SS433的发射线显示喷流以1/4的光速朝外喷出，远不及理论所预计的那样快。同时还有另一个问题：一些天文学家怀疑SS433是一个异常的天体，它不含有黑洞而含有一颗中子星——一个有关微类星体的“最糟糕的例子”，马刚说。

    转机可能来自钱德拉X射线天文台，它最近在其他数个微类星体中发现了成对出现的谱线的线索。“我们在微类星体1E1740.7-2942中发现了有关谱线的证据，”Purdue大学的崔伟（Wei Cui）说，“我们现在有十倍于望远镜的时间，因此在明年我们会得出一个确定的结果。”

    在得出结果之前，研究人员只能思考微类星体是否真是类星体的微缩版本。迪米曲奥斯·帕萨提斯（Dimitrios Psaltis）开始怀疑答案不会是单纯的是或否。哈佛—史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的天体物理学家帕萨提斯和AIAP的克利斯与托马索·贝勒尼（Tomaso Belloni）合作，发现从中子星到黑洞的QPO模式变化得很平滑。这一结果预示微类星体既不与中子星精确相似也不与类星体完全相同，但却形成了一系列形成喷流的致密天体之间的联系，从恒定质量的中子星到超大质量的类星体。

    克利斯承认这些想法是不确定的，需要进一步的研究。“有人说这仅是一个巧合，同时有人为它建立了完整的理论，”他说，“这就是现今我们这一领域的局面。”