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“雨燕”的新发现
2011-11-07|文章来源:科学新闻 |【
 

  2011年3月28日,一道异常强烈的闪光出现在天龙座方向。这道闪光被美国航天宇航局(NASA)的Swift卫星(下称“雨燕”卫星)探测到。

  Swift工作组的研究人员开始以为这是一次偶然的γ射线的爆发,并以“GRB 110328A”(GRB是γ射线爆发所使用编号)进行标记。

  γ射线爆发是宇宙中γ射线源辐射忽然增强所致,被认为是宇宙中已知最强大的爆炸,产生于大质量恒星塌缩或致密双星并合时恒星级黑洞或磁星在视线方向的极端相对论性喷流,属于一种物理过程。γ射线爆发最早于1976年被VELA卫星(美国核爆炸探测卫星系列)发现,后经科学家们30年的研究和论证,其起源才得以确认。

  在今天,普通γ射线爆发几乎每天都会出现,其发现也已经成为一件平常的事情。故在这道闪光刚被发现时,谁也没有意识到一个重大天文发现将要诞生,这是人类第一次观测到黑洞吞噬恒星的整个过程。

  偶然探得

  继“GRB 110328A”被发现之后的几天内,Swift探测发现该爆发产生的辐射不但没有消失,反而发现该天体的X射线辐射有所增强。该爆发至少4次触发了Swift的探测器,这引起了天文学家的关注,他们意识到这不是一次简单的γ射线爆发,有可能是类太阳恒星被超大质量黑洞瓦解所发出的辐射。

  南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉解释说,在此次发现中,科学家推断这是黑洞吞噬恒星事件的依据有两个:一是发现爆发的位置靠近星系的中心,这是黑洞在星系中的位置;二是这次的X射线爆发持续到了数以天计,不同于每次爆发只有几分钟或者几十秒的普通γ射线爆发。

  早在2005年至2007年,王祥玉在美国宾州州立大学访问期间,曾任Swift项目科学理论组成员。

  “Swift在太空中寻找新的和变化的X射线源。之所以发现这个X射线源,是因为其发出的X射线在数天内慢慢地变亮,直到其亮度最后足以使我们借助Swift查明并且看到这是一个新的未知源。”美国宾州州立大学的天文学教授、Swift项目组的科研领军人David Burrows 向《科学新闻》介绍说,接着他们将高敏感度望远镜指向这一光源并进行了深度研究。

  经过研究,David Burrows和他的伙伴们发现这一X射线源来自于约39亿光年外的一个星系。在这个星系的中心,一个黑洞正在撕裂并吞噬一颗恒星,该黑洞质量相当于100万个太阳。依据卫星名称和坐标,他们将这一发现标记更改为“Swift J164449.31573451”。

  “我们是在意外的状况下发现的这一事件的。” David Burrows说。

  “在新墨西哥州设立的超大阵列射电天文望远镜也注意到被撕碎的星体在星际中喷射出的光。”中科院高能物理研究所的Jarah Evslin告诉《科学新闻》,“将这两个发现放在一起,并且两件事情指向同样的时间地点,足以验证他们的发现。”

  此外,据介绍,EVLA射电望远镜在3月30日也观测到在Swift测得的X射线耀发附近一个暗淡的星系中央存在一个增亮的射电源。

  David Burrows和他的同事将这一研究结果发表在《Nature》上,称他们捕捉到一个超大质量黑洞刚开始喷射相对论性喷流的景象。喷流是在天体附近所出现的定向、狭长、高速的物质流。“相对论性喷流”即黑洞吞噬恒星时所产生的速度接近光速的等离子喷流。科学家们最初观测到的γ射线辐射等均来自于此。

  “目前我们仍在对此进行研究,并预期将该研究持续数月。这将有助于我们测试超级黑洞对天体影响的理论模型。”David Burrows说。

  天文奇观

  “黑洞吞噬恒星并非是一口吞掉,而是在恒星接近黑洞的引力半径时,黑洞作用在恒星上的巨大潮汐力将恒星沿某个方向拉长,直至克服恒星自身引力,将其撕裂。同时,黑洞在吞噬恒星时一般只能吞噬掉部分的恒星物质,另一部分物质摆脱了黑洞的引力得以逃脱。被黑洞束缚的那部分物质由于其本身具有旋转性,会环绕着黑洞旋转形成‘漏斗’状的吸积盘,慢慢被黑洞吸进去。这个过程是一个较长的过程。”王祥玉这样解释黑洞吞噬恒星的全过程,这一过程将会释放大量的能量,也会形成高速运动的喷流,造成γ射線、X射線、紫外光、可见光等。也正是如此,黑洞吞噬恒星被认为是宇宙中最激烈的天体现象之一。

  黑洞是一种具有极强引力的天体,被称为宇宙的“无底洞”,其质量高达100万至10亿倍的太阳质量。据了解,目前宇宙中被探知的黑洞分为两类,一类为大质量恒星“死亡”后形成的;一类是吞噬星系气体形成的,多为超大质量黑洞。超大质量黑洞多位于星系中心,通过吞噬其他天体进行积累、成长。能够吞噬恒星的黑洞多为质量相对较小的超大质量黑洞。

  据了解,黑洞吞噬恒星产生喷流这一天文现象早在上个世纪80年代已被天文学家所预测。早些时候也有人观测到相关现象,但是并没有看到喷流和X射线爆发的全过程,只是观测到较弱的、缓慢衰减的辐射。

  “爆发事件一般持续几十天到几个月。以前所观测到的并不是喷流的爆发,因为没有观测到吞噬的早期阶段。”王祥玉说。

  “之前也有类似的事件曾经被发现,但是这次,我们真正确切地从事件的开始进行跟踪并了解到了许多细节。” David Burrows这样告诉《科学新闻》。

  此外Jarah Evslin还强调事实上黑洞吞噬恒星的事情十分罕见的,这使的观测到这一天文景观的概率大大降低。

  David Burrows和伙伴的成果被发表之后,引起了世界各地相关研究者的关注。在他看来此次发现最重要的意义在于,发现了一个强劲喷流形成的过程,而这是唯一一次研究这样一个喷流过程的机会。

  “我们看到过许多这样的喷流,但是很难看到它是如何被制造出来的。这可以帮助我们理解一个新吸积盘产生喷流所使用到的物理过程。”他说。

  技术帮助

  从上个世纪80年代开始有科学家提出假设,直到今天观测到黑洞吞噬恒星的全过程,Swift功不可没。

  “关键技术在于Swift的使用。” Jarah Evslin告诉《科学新闻》,由于γ射线、X射线、紫外线和可见光纤在大气层中都被阻碍了,故如果想要进行宇宙的探测,必须借助空间天文站。而Swift是一个可以探测到上述光线的自动卫星。

  由NASA进行管理的Swift于2004年11月发射,由宾州州立大学、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室、弗吉尼亚州杜勒斯(Dulles)的轨道科学公司(Orbital Sciences Corp.)以及来自英国、意大利、德国和日本的国际合作者联合运营。

  据王祥玉介绍,Swift上安放了分别探测γ射线和X射线的探测器。其中γ射线探测器的张角范围是全天,即可以感受各个不同方位的γ射线。X射线探测器的张角较小。故Swift的工作模式通常为γ射线探测器发现信号后确定位置,然后卫星进行转向启动X射线探测器进行探测。

  在David Burrows看来,进行此类探索最为关键的技术在于使用一个张角和活动范围很大的X射线探测器才有可能发现并确定光源的位置。■

  《科学新闻》 (科学新闻2011年第10期 学界)


 
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