前段时间，欧洲南方天文台和智利千禧天体物理研究所的天文学家报道称，人类可能首次观测到星系中心超大质量黑洞的苏醒过程。
这个超大质量黑洞位于处女座上一个椭圆星系（SDSS 1335+0728）的中心，距离地球3亿光年，质量相当于100万个太阳。在此前几十年的观测中，它一直处于平静的休眠状态。从2019年12月开始，它变得异常活跃，并持续到现在。
该发现以“SDSS 1335+0728：一个百万倍黑洞质量的苏醒”为题，刊登在《天文与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）科学杂志上。
星系SDSS 1335+0728核心明亮起来。图片来源：European Southern Observatory
黑洞是什么？
黑洞是宇宙中极端引力的产物。有质量的物体普遍对外界存在着一种吸引力量，即万有引力。质量大的天体通过自身强大的引力，可以将周围的物体束缚在其附近，物体若要逃脱该天体的引力束缚，需要具备更快的速度。
例如，在地球表面发射一枚火箭，当火箭速度超过每秒11.2千米，就可以摆脱地球引力束缚进入太空。天体对周围产生的引力越强，要离开它所需要的速度就越快。
如果一个天体的引力足够强大，以至于连宇宙中运动速度最快的光都无法从中逃离出来，它就会被称为黑洞。
要产生这样强的引力效应，需要质量很大而半径很小的天体。在我们的宇宙中，一些大质量的恒星经过演化，最后会坍缩成一个黑洞，这种黑洞的质量通常是太阳质量的几倍到几十倍，而在星系的中心，通常还存在着一个百万到百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这次，天文学家研究的就是在一个星系中心的超大质量黑洞。
黑洞概念图。图片来源：uchicago news
既然黑洞里的光无法逃逸出来，那么我们怎么知道它的存在呢？确实，我们无法直接看到黑洞自身，但黑洞对外界产生的强大引力却会暴露它的存在。
通过跟踪黑洞对外界产生的影响，可以捕获到黑洞的踪迹。例如，一项获得2020年诺贝尔物理学奖的科学成果，就是因为监测到银河系核心区域的许多恒星都在围绕中心一个位置绕转，并由此推算出那里应该存在一个质量很大的黑洞。
银河系核心区域的恒星围绕着中心一点绕转。图片来源：参考文献[2]
黑洞的“休眠”与“活跃”
这种围绕大质量黑洞旋转的恒星，如果没有受到其他干扰，它的角动量通常不会损失。物体绕转产生向外的离心力，抵抗了黑洞向内的引力，从而达到平衡，物体就不会掉入黑洞。这与月球重复绕地球旋转而不会掉入地球是同样的道理。
在这种情况下，黑洞与周围的物质保持“相安无事”，黑洞周围是一片平静的状态，从观测者视角看，此时的黑洞像是处在休眠状态。
当星系核区的物质受到某种干扰损失了角动量，由于向外的离心力减小，无法抵抗黑洞向内的引力，物质就会落入黑洞。在下落过程中，这些物质会形成一个盘状结构，盘中的物质一边绕黑洞快速旋转，一边逐步落入黑洞中，这个过程被称为“吸积”。
物质掉落黑洞的过程，会释放巨大的引力能，并最终通过各种能量形式辐射到宇宙空间。这个过程所辐射的巨大能量，甚至可以超过整个星系所有恒星辐射的总和，使得星系核心非常明亮。此时的黑洞，正处在吞噬周围物质的活跃状态。
星系中心黑洞吞噬周围外界物质，并向外释放能量。图片来源：Shasthra Snehi
目前，“休眠”和“活跃”这两种状态的黑洞，都已被大量观测到。但是，这两种状态的切换过程还没有被明确观测到。
星系SDSS 1335+0728新发现
2019年12月，天文学家首次发现星系SDSS 1335+0728的中心区域非常明亮。起初，他们以为那只是一个普通的处于活跃状态的超大质量黑洞的吸积现象，然而，回顾过去20年的观测数据，都没有发现它活跃的迹象，也就是说，这个超大质量黑洞过往一直是“休眠”状态，直到近些年才开始“活跃”。
从2019年之后，星系SDSS 1335+0728一直保持着活跃黑洞的辐射特征，产生很强的高能X射线、紫外线辐射，以及很强的红外波段的辐射。对于这一不同寻常的现象，天文学家试图给出合理的解释，目前可能性较大的解释有以下两种。
1. 对恒星的吞噬
当一颗恒星运行到距离星系中心黑洞过近的位置时，会被黑洞的强大引力撕裂，拉伸成细长的“面条”结构，并逐渐掉落到黑洞中。这个过程通常伴随着短暂的能量释放，使得原本沉寂的星系中心会由此突然变亮，这种天文现象通常被称为“潮汐瓦解事件（TDE）”，之所以这样命名，是因为这一过程的原理类似于我们地球上海水的潮汐现象。
我们知道，引力的大小随着距离的增大而减小，地球上不同位置的海水到月球的距离不同，距离月球较近的海水受到的引力较大，而距离月球较远的海水受到的引力较小。这种引力差，导致整个海洋产生形变，引发海水涨落，从而出现我们所看到的潮汐现象。
同样地，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。恒星距离黑洞越近，这种引力差就越明显。当恒星过于靠近黑洞时，强大的引力差可以超过恒星自身的束缚力，从而将恒星撕裂开来，被撕裂的恒星物质逐步落入黑洞，并发出强烈的辐射。若在此时进行观测，会发现星系中心突出变亮。
超大质量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解过程。图片来源：HubPages
近些年，潮汐瓦解事件（TDE）已经在天文观测中被多次发现。那么，此次星系核心的异常变亮现象，能否用“潮汐瓦解”来解释呢？
天文学家分析发现，它在几个方面并不符合一个典型的潮汐瓦解事件（TDE）特征。比如，潮汐瓦解事件（TDE）产生的亮度变化一般只持续几十天，最多几百天。而这次的星系核心区域直到现在还在变亮，距离第一次发现已经超过4年了。
当然，由于目前人们对潮汐瓦解事件（TDE）的了解还不够清楚，我们还不能完全排除这一可能性。也许，这是一次异常缓慢的潮汐瓦解事件（TDE）。例如，被黑洞撕裂的不是一颗恒星，而是附近一个较小的卫星星系。如果这确实是一次潮汐瓦解事件（TDE），那么它会是人类所知的持续时间最长、亮度最微弱的“潮汐瓦解”。
2. 黑洞在苏醒
本次观测到的星系SDSS 1335+0728特性，和其他正处在活跃状态的星系核并无太大差异。加利福尼亚理工学院天文系的研究教授马修·格雷汉姆猜测，或许这个星系没有什么特殊性，我们只是恰巧捕捉到了一个特别时刻。
宇宙中星系的中心通常都存在着一个超大质量的黑洞。通过观测发现，有些星系中心的黑洞处于平静状态，有些则处于活跃状态。统计结果显示，活跃状态的黑洞数量远少于平静状态的黑洞数量，这意味着黑洞处于活跃状态的时间只占少部分。
如果把星系中心的超大质量黑洞比作一只巨兽，那么这只巨兽在大部分时间里处于没有食物可吃的休眠状态，只有少部分时间处于捕食进餐的活跃阶段，当食物被吃光消化后，它会再次恢复到平静状态。
如果星系中心的黑洞都要经历一次或多次从平静状态进入活跃状态、再回到平静状态的周期转换，那么这些状态的转换过程，为什么没有被人们广泛观测到呢？这是因为黑洞某个状态所持续的时间（典型时标在百万年）相对于人类有限的现代天文观测历史（不足百年）来说是非常漫长的。或者说，人类目前的观测只能目睹整个黑洞演化历程中某个短暂的瞬间。
只有当这个瞬间恰好对应于黑洞从休眠状态刚刚向活跃状态转换的时刻，我们才有机会目睹黑洞的“苏醒”。如果在这个时间节点附近观测，就既可以覆盖到黑洞的休眠阶段，又能覆盖到黑洞的活跃阶段，而这样的关键时刻自然是不易碰到的，这或许就是黑洞之前一直没有被人们看到的原因。
参考文献
[1]Sánchez-Sáez et al. (2024); SDSS1335+0728: The awakening of a ?106M⊙ black hole
[2]Genzel, Eisenhauer & Gillessen (2010); The Galactic Center massive black hole and nuclear star cluster
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出品丨科普中国
作者丨李臻臻 中国科学院上海天文台；时雪草 上海科技教育出版社
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
