前段時間，來自歐洲南方天文台和智利千禧天體物理研究所的天文學家報道，人類可能首次觀測到星系中心超大質素黑洞的「蘇醒」過程。
這個超大質素黑洞位於處女座上一個橢圓星系（SDSS 1335+0728）的中心，距離地球3億光年，質素相當於100萬個太陽。 在此前幾十年的觀測中，它一直處於平靜的休眠狀態。 從2019年12月開始，它變得異常活躍，並一直持續到現在。該發現以「SDSS 1335+0728：一個百萬倍黑洞質素的蘇醒」為題目，刊登在【天文與天體物理學】科學雜誌上。
SDSS 1335+0728 星系核心明亮起來
（圖片來源：European Southern Observatory）
黑洞是什麽？
黑洞是宇宙中極端重力的產物。 有質素的物體普遍對外界存在著一種吸引的力量，即萬有重力。大質素的天體透過自身強大的重力，可以將周圍的物體束縛在其附近。物體若要逃脫該天體的重力束縛，就需要具備更大的速度。例如，在地球表面發射一枚火箭，當火箭的速度超過每秒11.2公裏，就可以擺脫地球的重力束縛進入太空中。天體對周圍產生的重力越強，要離開它所需要的速度就越大。
如果一個天體的重力足夠強大，以至於連宇宙中運動速度最快的光都無法從中逃離出來，就會被稱為黑洞。
要產生這樣強的重力效應，需要天體的質素很大而半徑很小。在我們的宇宙中，一些大質素的恒星經過演化，最後就會塌縮成一個黑洞，這種黑洞的質素通常是太陽質素的幾倍到幾十倍。而在星系的中心，通常還存在著一個百萬到百億倍太陽質素的超大質素黑洞。 這次天文學家研究的就是在一個星系中心的超大質素黑洞。
既然黑洞裏的光無法逃逸出來，那麽我們怎麽知道它的存在呢？ 確實，黑洞自身是無法被我們直接看到的，但黑洞對外界產生的強大重力卻會暴露它的存在。透過跟蹤黑洞對外界產生的影響，人們仍然可以捕獲到黑洞的蹤跡。例如，獲得2020年諾貝爾物理學獎的一項科學成果，就是監測到銀河系核心區域的許多恒星都在圍繞著中心一個位置繞轉，並由此推算出那裏應該存在一個質素很大的黑洞。
黑洞的「休眠」與「蘇醒」
圍繞著這種大質素黑洞旋轉的恒星，如果沒有受到其他幹擾，它的角動量通常不會損失。物體繞轉產生的向外的離心力，抵抗了黑洞向內的重力，從而達到平衡，物體就不會掉入黑洞。這與月球重復繞地球旋轉而不會掉入地球是同樣的道理。在這種情況下，黑洞與周圍的物質保持相安無事，黑洞周圍是一片平靜的狀態。從觀測者視角看，此時的黑洞像是處在休眠狀態。
當星系核區的物質受到某種幹擾損失了角動量，由於向外的離心力減小，無法抵抗黑洞向內的重力，物質會落入黑洞。在下落過程，這些物質會形成一個盤狀結構。盤中的物質一邊繞黑洞快速旋轉，一邊逐步落入黑洞中。這個過程被稱為吸積。
物質掉落到黑洞的過程中，會釋放巨大的重力能，並最終透過各種能量形式輻射到宇宙空間中。這個過程所輻射的巨大能量，甚至可以超過整個星系所有恒星輻射的總和，使得星系的核心非常的明亮。此時的黑洞，正處在吞噬周圍物質的活躍狀態。
星系中心黑洞吞噬周圍外界物質，並向往釋放能量
（圖片來源：Shasthra Snehi）
目前，休眠和活躍這兩種狀態的黑洞，都已被大量觀測到。但是，這兩種狀態的切換過程還沒有被明確觀測到。
SDSS 1335+0728帶來的新發現
2019年12月，天文學家首次發現SDSS 1335+0728的中心區域非常明亮。起初，他們以為那只是一個普通的處於活躍狀態的超大質素黑洞的吸積現象。然而，回顧過去20年對它的長期觀測數據，都沒有發現它活躍的跡象。也就是說，這個超大質素黑洞在過往一直是休眠狀態，直到近些年才開始活躍。
從2019年之後，SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征，產生很強的高能X射線、紫外線輻射，以及很強的紅外波段的輻射。對於這一不同尋常的現象，天文學家試圖給出合理的解釋，目前可能性較大的解釋有下面兩種。
一次對恒星的吞噬？
當一顆恒星執行到距離星系中心黑洞過近的位置時，會被黑洞的強大重力撕裂、拉伸成細長的「面條」結構，逐漸掉落到黑洞中。這個過程通常伴隨著短暫的能量釋放，使得原本沈寂的星系中心會由此突然變亮。這種天文現象通常被稱為潮汐瓦解事件。之所以這樣命名，是因為這一過程的原理和我們地球上海水的潮汐現象類似。
我們知道，重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重力較大，而距離月球較遠的海水受到的重力較小。這種重力差，導致整個海洋產生形變，引發海水漲落，從而出現我們所看到的潮汐現象。
同樣地，黑洞附近的恒星，其不同位置受到的黑洞重力大小也不相同。恒星距離黑洞越近，這種重力差就越明顯。當恒星過於靠近黑洞時，強大的重力差可以超過恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開來。被撕裂的恒星物質逐步落入黑洞，並行出強烈的輻射。若此時進行觀測，會發現星系中心突出變亮。
近些年,潮汐瓦解事件已經在天文觀測中被多次發現。 那麽，此次星系核心的異常變亮現象，能否用這樣的潮汐瓦解事件來解釋呢？
天文學家分析發現，它在幾個方面並不符合一個典型的潮汐瓦解事件的特征。比如,潮汐瓦解事件所產生的亮度變化一般只持續幾十天，最多幾百天。而這次的星系核心區域直到現在還在變亮，距離第一次發現已經超過4年了。
當然，由於目前人們對潮汐瓦解事件了解得還不夠清楚，我們還不能完全排除這一可能性。也許，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件。例如，被黑洞撕裂的不是一顆恒星，而是附近一個較小的衛星星系。如果這確實是一次潮汐瓦解事件，那麽它會是人類所知的持續時間最長、亮度最微弱的潮汐瓦解事件。
有幸目睹了黑洞的蘇醒？
本次觀測到的SDSS 1335+0728的特性，和其他正處在活躍狀態的星系核並無太大的差異。 加利福尼亞理工學院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測，或許這個星系就沒有什麽特殊性，我們只是恰巧捕捉到了一個特別的時刻。
宇宙中星系的中心通常都存在著一個超大質素的黑洞。透過觀測發現，有些星系中心的黑洞處於平靜狀態，有些則是處於活躍狀態。 統計結果顯示，活躍狀態黑洞的數量遠少於平靜狀態的黑洞。 這意味著黑洞處於活躍狀態的時間只占少部份。
如果把星系中心的超大質素黑洞比作一只巨獸，那麽這只巨獸在大部份時間裏處於沒有食物可吃的休眠狀態，而只有少部份時間處於捕食進餐的活躍階段。當食物被吃光消化後，它再次恢復到平靜狀態。
如果星系中心的黑洞都要經歷一次或多次從平靜狀態進入活躍狀態，再回到平靜狀態的周期轉換，那麽這些狀態的轉換過程，為什麽沒有被人們廣泛觀測到呢？這是因為黑洞某個狀態所持續的時間（典型時標在百萬年），相對於人類有限的現代天文觀測歷史（不足百年）來說是非常漫長的。或者說，人類目前的觀測只能目睹整個黑洞演化歷程中某個短暫的瞬間。
只有當這個瞬間恰好對應於黑洞從休眠狀態向活躍狀態剛剛啟動的時刻，我們才有機會目睹黑洞的蘇醒。在這個時間節點附近觀測，我們有限的觀測歷史，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。而這樣的關鍵時刻自然是不容易碰到的，這或許就是之前一直沒有被人們看到的原因。
結語
現在，天文學家依然在持續關註這個超大質素黑洞，準備利用占士·韋布空間望遠鏡對它進行更深入的後續觀測研究，以徹底弄清它異常活躍的原因。這將有助於預測未來它將重歸平靜還是繼續活躍，並加深我們對星系中心超大質素黑洞的生長和演化過程的認識。
參考文獻 ：
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
出品：科普中國
作者：李臻臻（中國科學院上海天文台）
時雪草（上海科技教育出版社）
監制：中國科普博覽
