NASA揭示宇宙大爆炸以来最亮的黑洞爆炸

图中，一团热气盘围绕着黑洞旋转。部分气体来自一颗被黑洞撕裂的恒星，形成了右侧长长的热气流，并流入黑洞盘。图片来源：NASA/JPL-Caltech

这些耀斑灼热的紫外线、X射线和红外线特征暴露了原本隐藏的重量级黑洞，并重塑了它们的宿主星系，同时也为未来像罗曼太空望远镜这样的天文台提供了路线图，以便在宇宙诞生之初就发现类似的爆发。

黑洞通常是隐形的，静静地隐藏在太空中，除非有什么东西暴露它们。有些黑洞不断吞噬气体和尘埃，并在吞噬过程中发出明亮的光芒。有些黑洞则会在数年内保持完全沉寂，只有当一颗恒星游离得太近并被撕裂时才会显露出来。

如今，一项结合美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ ESA ）和多个地面天文台数据的新研究揭示了三个超大质量黑洞吞噬大质量恒星的非凡案例。这些剧烈事件释放的能量都超过100颗爆炸恒星，使其成为自大爆炸以来观测到的最强大的宇宙爆炸。

这些位于遥远星系的黑洞在吞噬质量相当于太阳三到十倍的恒星时突然爆发出耀眼的光芒。这些恒星毁灭盛宴发出的光芒持续了数月之久，为科学家们提供了一个难得的机会来观察原本隐藏的事物。

这幅图展示了一颗恒星被超大质量黑洞吞噬时产生的一股炽热物质流。当恒星经过距离黑洞一定距离以内（近到足以被引力扰乱）时，恒星物质在坠入黑洞的过程中会被拉伸和压缩。图片来源：NASAJPL-Caltech

天文学家将这些罕见的爆发称为“极端核瞬变”。这种新的宇宙事件可能有助于发现一些通常处于黑暗状态且无法探测到的超大质量黑洞。

夏威夷大学研究生、《科学进展》杂志上描述这一现象的新研究的主要作者杰森·辛克尔说：“这些事件是我们能够聚焦于原本不活跃的大质量黑洞的唯一方式。 ”

这些事件会向其宿主星系的中心区域释放出大量的高能辐射。“这对这些事件发生的环境有影响，”欣克尔说。“如果星系发生了这些事件，它们对星系本身就很重要。”

恒星毁灭会产生高能光，需要超过100天才能达到峰值亮度，然后需要超过150天才能暗淡至峰值亮度的一半。高能辐射对环境的影响方式导致了望远镜也能探测到的低能辐射。

其中一个恒星毁灭事件因其星表标识符 ZTF20abrbeie 而被昵称为“芭比”，它于 2020 年被加州理工学院帕洛玛天文台的兹维基瞬变设施发现，并在 2023 年的两项研究中进行了记录。另外两个黑洞分别于 2016 年和 2018 年被欧空局的盖亚任务探测到，并在新论文中进行了详细研究。

美国宇航局的尼尔·格雷尔斯·斯威夫特天文台在确认这些事件与黑洞而非恒星爆炸或其他现象有关方面发挥了关键作用。X射线、紫外线和可见光随时间的变化，就像黑洞撕裂恒星的指纹一样。

科学家们还使用了NASA WISE太空探测器的数据。该探测器于2009年至2011年运行，随后以NEOWISE的名义重新启动，并于2024年退役。在WISE任务中，该探测器绘制了红外波长的天空图，发现了许多新的遥远天体和宇宙现象。在这项新研究中，该探测器的数据帮助研究人员表征了每个黑洞环境中的尘埃。众多地面天文台也为这一发现做出了贡献，包括由NASA资助的WM凯克天文台望远镜（其档案库）以及NASA支持的近地天体巡天项目ATLAS、Pan-STARRS和Catalina。

“我认为这项工作最令人兴奋的地方在于，我们正在突破我们所理解的宇宙中能量最高的环境的上限，”太空望远镜科学研究所的科学家、该研究的合著者安娜·佩恩说，她帮助利用夏威夷大学 2.2 米望远镜寻找这些事件的化学指纹。

NASA 未来地球与空间科学与技术研究员 (FINESST) 项目的资助帮助 Hinkle 搜寻这些黑洞事件。“FINESST 的资助让 Jason 能够自由地追踪并弄清这些事件的真正原因，”夏威夷大学天文研究所副教授、本研究合著者兼 Hinkle 顾问 Ben Shappee 说道。

辛克尔将通过美国宇航局哈勃奖学金项目，以伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后研究员的身份，继续跟进这些成果。“天文学最大的问题之一是黑洞是如何在整个宇宙中生长的，”辛克尔说。

这一结果补充了美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的观测结果，揭示了超大质量黑洞在早期宇宙中如何吞噬和生长。但由于只有10%的早期黑洞会主动吞噬气体和尘埃，因此极端核瞬变——即捕捉到正在吞噬大质量恒星的超大质量黑洞——是寻找早期宇宙黑洞的另一种方法。

这类事件非常明亮，即使在遥远的早期宇宙中也能看到。斯威夫特太空望远镜表明，极端核瞬变的大部分光都来自紫外线。但随着宇宙膨胀，这些光的波长被拉长，并转移到红外线——这正是美国宇航局即将发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的设计初衷。

凭借强大的红外灵敏度和广阔的视野，罗曼号将能够发现这些罕见的爆炸，它们发生于120多亿年前，当时宇宙的年龄仅为现在的十分之一。罗曼号计划于2027年发射，最早可能于2026年秋季发射。它将揭示更多类似的戏剧性事件，并为探索恒星、星系和黑洞的形成和演化提供新的途径。

佩恩说：“我们可以以这三个物体为蓝图，了解未来要寻找什么。”

编译自/scitechdaily