黑洞的“休眠”與“活躍”

物體繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生向外的離心力，抵抗了黑洞向內(nèi)的引力，從而達(dá)到平衡，物體就不會(huì)掉入黑洞。這與月球重復(fù)繞地球旋轉(zhuǎn)而不會(huì)掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質(zhì)保持“相安無(wú)事”，黑洞周圍是一片平靜的狀態(tài)，從觀測(cè)者視角看，此時(shí)的黑洞像是處在休眠狀態(tài)。

物質(zhì)掉落黑洞的過(guò)程，會(huì)釋放巨大的引力能，并最終通過(guò)各種能量形式輻射到宇宙空間。這個(gè)過(guò)程所輻射的巨大能量，甚至可以超過(guò)整個(gè)星系所有恒星輻射的總和，使得星系核心非常明亮。此時(shí)的黑洞，正處在吞噬周圍物質(zhì)的活躍狀態(tài)。

△星系中心黑洞吞噬周圍外界物質(zhì)，并向外釋放能量。

目前，“休眠”和“活躍”這兩種狀態(tài)的黑洞，都已被大量觀測(cè)到。但是，這兩種狀態(tài)的切換過(guò)程還沒(méi)有被明確觀測(cè)到。

星系SDSS 1335+0728新發(fā)現(xiàn)

2019年12月，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)星系SDSS 1335+0728的中心區(qū)域非常明亮。起初，他們以為那只是一個(gè)普通的處于活躍狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞的吸積現(xiàn)象，然而，回顧過(guò)去20年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它活躍的跡象，也就是說(shuō)，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞過(guò)往一直是“休眠”狀態(tài)，直到近些年才開(kāi)始“活躍”。

從2019年之后，星系SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征。對(duì)于這一不同尋常的現(xiàn)象，天文學(xué)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(duì)恒星的吞噬

當(dāng)一顆恒星運(yùn)行到距離星系中心黑洞過(guò)近的位置時(shí)，會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力撕裂，拉伸成細(xì)長(zhǎng)的“面條”結(jié)構(gòu)，并逐漸掉落到黑洞中。這個(gè)過(guò)程通常伴隨著短暫的能量釋放，使得原本沉寂的星系中心會(huì)由此突然變亮，這種天文現(xiàn)象通常被稱為“潮汐瓦解事件（TDE）”，之所以這樣命名，是因?yàn)檫@一過(guò)程的原理類似于我們地球上海水的潮汐現(xiàn)象。

我們知道，引力的大小隨著距離的增大而減小，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(yuǎn)的海水受到的引力較小。這種引力差，導(dǎo)致整個(gè)海洋產(chǎn)生形變，引發(fā)海水漲落，從而出現(xiàn)我們所看到的潮汐現(xiàn)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(dāng)恒星過(guò)于靠近黑洞時(shí)，強(qiáng)大的引力差可以超過(guò)恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開(kāi)來(lái)，被撕裂的恒星物質(zhì)逐步落入黑洞，并發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。若在此時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)星系中心突出變亮。

△超大質(zhì)量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解過(guò)程。

近些年，潮汐瓦解事件（TDE）已經(jīng)在天文觀測(cè)中被多次發(fā)現(xiàn)。那么，此次星系核心的異常變亮現(xiàn)象，能否用“潮汐瓦解”來(lái)解釋呢？

天文學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)，它在幾個(gè)方面并不符合一個(gè)典型的潮汐瓦解事件（TDE）特征。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(gè)較小的衛(wèi)星星系。如果這確實(shí)是一次潮汐瓦解事件（TDE），那么它會(huì)是人類所知的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、亮度最微弱的“潮汐瓦解”。

2

黑洞在蘇醒

本次觀測(cè)到的星系SDSS 1335+0728特性，和其他正處在活躍狀態(tài)的星系核并無(wú)太大差異。加利福尼亞理工學(xué)院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測(cè)，或許這個(gè)星系沒(méi)有什么特殊性，我們只是恰巧捕捉到了一個(gè)特別時(shí)刻。

如果把星系中心的超大質(zhì)量黑洞比作一只巨獸，那么這只巨獸在大部分時(shí)間里處于沒(méi)有食物可吃的休眠狀態(tài)，只有少部分時(shí)間處于捕食進(jìn)餐的活躍階段，當(dāng)食物被吃光消化后，它會(huì)再次恢復(fù)到平靜狀態(tài)。

如果星系中心的黑洞都要經(jīng)歷一次或多次從平靜狀態(tài)進(jìn)入活躍狀態(tài)、再回到平靜狀態(tài)的周期轉(zhuǎn)換，那么這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，為什么沒(méi)有被人們廣泛觀測(cè)到呢？這是因?yàn)楹诙茨硞€(gè)狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間（典型時(shí)標(biāo)在百萬(wàn)年）相對(duì)于人類有限的現(xiàn)代天文觀測(cè)歷史（不足百年）來(lái)說(shuō)是非常漫長(zhǎng)的。或者說(shuō)，人類目前的觀測(cè)只能目睹整個(gè)黑洞演化歷程中某個(gè)短暫的瞬間。

只有當(dāng)這個(gè)瞬間恰好對(duì)應(yīng)于黑洞從休眠狀態(tài)剛剛向活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，我們才有機(jī)會(huì)目睹黑洞的“蘇醒”。如果在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近觀測(cè)，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(guān)鍵時(shí)刻自然是不易碰到的，這或許就是黑洞之前一直沒(méi)有被人們看到的原因。

現(xiàn)在，天文學(xué)家依然在持續(xù)關(guān)注這個(gè)超大質(zhì)量黑洞，準(zhǔn)備利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行更深入的后續(xù)觀測(cè)和研究，以徹底弄清它異常活躍的原因。這將有助于我們預(yù)測(cè)這個(gè)黑洞未來(lái)是重歸平靜還是繼續(xù)活躍，并加深我們對(duì)星系中心超大質(zhì)量黑洞生長(zhǎng)、演化過(guò)程的認(rèn)識(shí)。