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是什么驱动着这些神秘明亮的蓝色宇宙闪光？天文学家找到了线索

排行榜 2025年12月18日 14:30 1 cc
是什么驱动着这些神秘明亮的蓝色宇宙闪光？天文学家找到了线索

距离地球11亿光年外,一场暴烈的宇宙灾难在数天内释放出相当于普通超新星百倍的能量。这个被命名为AT 2024wpp的明亮快速蓝色光学瞬变现象,在加州大学伯克利分校研究团队的多波段观测分析下,终于揭示出其真实面目:一个质量达太阳百倍的中等质量黑洞将其巨型伴星完全撕碎,产生的物质以光速40%的速度喷射,撞击周围气体引发了横跨X射线、紫外线到可见光波段的极端辐射。

这项发表在《天体物理学杂志快报》的研究不仅解决了困扰天文学界十年的LFBOT起源之谜,更为理解引力波探测到的大质量黑洞如何形成提供了全新视角。

明亮快速蓝色光学瞬变这个拗口的术语描述的是一类极为罕见的天文现象。这些事件亮度惊人,在数亿甚至数十亿光年外都能被观测到,但持续时间极短,通常只有几天到几周。它们发出的光以蓝色和紫外线为主,这意味着辐射能量极高,远超普通恒星爆炸。2014年首次发现这类现象以来,天文学家仅确认了十几起案例,每一个都以发现时的天文坐标编号命名。

2018年发现的AT 2018cow因编号恰好拼出"cow"而被研究者昵称为"奶牛",开启了这类天体被赋予动物绰号的传统。后续发现的个体包括考拉、塔斯马尼亚恶魔、雀鸟等,这些俏皮的名字为严肃的科学研究增添了些许趣味。但这些昵称背后是深刻的科学困惑:究竟什么样的天体物理过程能够在如此短时间内释放如此巨大的能量,而且主要以高能光子形式辐射?

最初的理论倾向于超新星爆炸的特殊变种。超新星是大质量恒星生命终结时的剧烈爆发,核心坍缩触发外层物质的激烈抛射。某些极端类型的超新星,如Ia型超新星的特殊亚类或超亮超新星,确实能产生异常明亮的蓝色辐射。另一种假说则指向潮汐瓦解事件,即恒星过于接近黑洞,被巨大的潮汐力撕碎,碎片坠入黑洞时释放引力势能。

能量计算推翻超新星假说


是什么驱动着这些神秘明亮的蓝色宇宙闪光？天文学家找到了线索

LFBOTs是真正的宇宙级怪兽，由一个质量相当于100个太阳的黑洞撕裂一颗巨星驱动。去年2024wpp发现的LFBOT为天文学家提供了缩小这些爆发起源所需的数据。这张图解释了这颗被撕碎的恒星如何与黑洞周围已有的吸积盘相互作用，从而产生高能波长下辐射的巨大能量。图片来源：Raffaella Margutti/加州大学伯克利分校

AT 2024wpp的观测数据彻底改变了这场辩论。这个迄今为止最明亮的LFBOT比"奶牛"事件还要亮五到十倍,为研究团队提供了前所未有的详细数据。博士后研究员纳亚娜负责X射线和射电波段分析,研究生娜塔莉·勒巴伦主导了光学、紫外和近红外波段研究,两篇论文在拉斐拉·马尔古蒂副教授指导下完成。

关键的突破来自精确的能量计算。研究团队整合了从射电波到X射线整个电磁波谱的观测数据,重建了事件的总能量输出。结果令人震惊:AT 2024wpp在短短几周内释放的能量,需要将太阳静止质量约10%转化为纯能量才能实现。这个数字远超任何已知类型超新星的能力。即使是最极端的超新星爆炸,能量转化效率也不可能达到这个水平。

勒巴伦直言不讳地指出,他们最初采用的超新星模型完全错误。普通恒星爆炸,无论什么类型,都无法在如此短时间内驱动这样巨大的辐射。这个结论迫使研究团队转向更极端的物理过程:涉及黑洞的引力相互作用。黑洞是宇宙中最高效的能量转换器,物质坠入黑洞时可以将其静止质量的相当比例转化为辐射,效率远超核聚变或核裂变。

但简单的潮汐瓦解事件也不够。典型的潮汐瓦解涉及质量相当于数百万到数十亿太阳的超大质量黑洞,它们位于星系中心,偶尔捕获一颗误入禁区的恒星。这类事件确实能产生明亮的辐射,但光谱特征和时间演化与LFBOT明显不同。研究团队提出的模型涉及一个此前很少被观测到的黑洞类型:中等质量黑洞,质量大约在太阳的百倍到十万倍之间。

重建这个双星系统的演化历史,可以拼凑出戏剧性的过程。最初,这是一对大质量恒星组成的双星系统,两颗恒星都远比太阳重得多。较重的那颗恒星先演化到生命终点,核心坍缩形成黑洞。黑洞开始从伴星吸取物质,这个过程可能持续数百万年。被吸走的气体围绕黑洞形成吸积盘,但黑洞消化物质的速度有限,大量物质在更远处堆积,形成包裹黑洞的厚重气体壳。

伴星在这个漫长的寄生关系中逐渐失去质量,但仍然保持着相当规模。它很可能演化成沃尔夫-雷耶星,这类恒星表面温度极高,已经丢失了大部分氢外层,露出富含氦和重元素的内核。这与AT 2024wpp光谱中氢线相对较弱的特征吻合。最终,轨道衰减使伴星进入黑洞的潮汐半径,强大的潮汐力在数天内将整颗恒星完全撕裂。

撕裂过程释放的恒星物质形成新的吸积盘,以极高速度坠向黑洞。这些新鲜物质猛烈撞击已经存在的老旧吸积盘和周围气体壳,撞击激波加热物质到极高温度,发出强烈的X射线、紫外线和蓝光。同时,部分物质沿着黑洞旋转轴方向被加速,形成相对论性喷流,以光速约40%的速度喷射出去。这些喷流与周围星际介质相互作用,产生射电辐射。

观测数据支持这个复杂的图景。钱德拉X射线天文台、斯威夫特卫星和NuSTAR探测到了高能X射线辐射,阿塔卡马大型毫米波阵列和澳大利亚望远镜紧凑阵列记录了射电波段的演化,凯克天文台、利克天文台和双子座天文台提供了光学和近红外数据。这种多波段协同观测是现代时域天文学的典范,不同波段的信息相互印证,共同描绘出完整的物理图景。

探寻中等质量黑洞的踪迹

是什么驱动着这些神秘明亮的蓝色宇宙闪光？天文学家找到了线索

在2024wpp，一个明亮的快速蓝色光学瞬变，简称LFBOT，是其宿主星系右上角的明亮蓝色斑点，距离地球11亿光年。图片来源：Aidan Martas/加州大学伯克利分校

这项研究的另一个重要意义在于为中等质量黑洞的存在提供了证据。黑洞质量分布呈现明显的双峰结构:一类是恒星质量黑洞,质量从几个到几十个太阳质量,另一类是超大质量黑洞,质量从数百万到数十亿太阳质量。但介于两者之间的中等质量黑洞却极为罕见,天文学家只有零星的候选体,始终缺乏决定性的确认。

这个缺失环节对理解黑洞成长历史至关重要。超大质量黑洞如何在宇宙早期快速长成如此巨大规模,是天体物理学的重大谜题之一。一种可能路径是从中等质量黑洞种子开始,通过不断吞噬物质和与其他黑洞合并逐步成长。引力波探测器LIGO和Virgo观测到的黑洞合并事件中,有些涉及数十个太阳质量的黑洞,它们是如何形成的同样不清楚。

LFBOT提供了一个独特的探测途径。通过分析撕星事件的能量学和动力学,可以反推黑洞质量。AT 2024wpp的观测强烈暗示黑洞质量约为太阳的百倍量级,恰好落在中等质量范畴。更重要的是,这个黑洞存在于一个活跃的恒星形成星系中,而不是星系中心,这为理解其形成环境提供了线索。它可能形成于致密星团中多颗大质量恒星的相互作用,或者本身就是双星演化的产物。

随着紫外空间望远镜ULTRASAT和UVEX的计划发射,LFBOT的发现率预计将大幅提升。这些专门设计用于紫外波段巡天的卫星,能够在LFBOT爆发早期阶段就捕捉到它们,而不是像现在这样只能在亮度峰值附近发现。早期光变曲线包含着关于前身系统和爆发机制的关键信息,系统性的观测将建立LFBOT的统计样本,揭示这类事件的多样性和普遍性。

马尔古蒂教授指出,目前每年大约只发现一个LFBOT,但紫外望远镜上天后,发现它们将成为常规操作,就像今天探测伽马射线暴一样频繁。这将开启LFBOT天文学的新时代,不仅能够详细研究个别事件,还能进行统计分析,理解中等质量黑洞的数量分布、双星系统的演化路径、以及这些极端事件对星系环境的影响。

从"奶牛"到"啄木鸟",每个LFBOT都是宇宙寄来的一封信,记录着黑洞与恒星之间致命邂逅的瞬间。解读这些信息需要整合多个波段的观测数据、先进的物理模型和精密的数值模拟。AT 2024wpp的成功破解标志着这个领域的成熟,也预示着未来更多惊喜的到来。在广袤宇宙中,还有多少类似的暴烈事件等待被发现,它们又将揭示怎样的物理奥秘,这些问题将驱动着新一代天文学家继续探索。

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