“SS 433是一個不同尋常的恒星系統(tǒng)，每次都會給我們帶來新發(fā)現(xiàn)。這種看法來源于一項(xiàng)對高能伽馬射線的新觀測上，而這些觀測結(jié)果則是基于對這個銀河系中最奇怪的天體近40年的測量。每一次測量都給了我們一個不同的謎題，我們希望現(xiàn)有的知識能夠讓我們了解這整個類星體家族。”——羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家苯維(Segev BenZvi)

夜空看似寧靜，但如果通過專門的科學(xué)儀器，你會發(fā)現(xiàn)視線中原本安寧黑暗之處，充滿激烈的碰撞和閃耀的爆炸。遙遠(yuǎn)而猛烈的爆炸會向四面八方噴射光和粒子，從而證明它們的存在。當(dāng)這些“信使”到達(dá)地球時，科學(xué)家們則用專門的儀器捕捉它們，通過它們來繪制活動密集的天空，幫助人類更好地理解發(fā)生在太空深處的不穩(wěn)定過程。

過去，國際科學(xué)界的合作首次探測到了一束奇異的高能光?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在我們星系中，存在一個不尋常的恒星系統(tǒng)，其中有一個微型類星體——黑洞，正從附近的一顆伴星上吞噬物質(zhì)，在這個過程中，它會噴出兩股強(qiáng)大的物質(zhì)噴流，其中就包括了飛臨地球的高能光。

美國國家射電天文臺(NRAO)的超大型陣列多年來一直在觀測這種噴流。最為人注目的是，在這些噴流中，一些物質(zhì)團(tuán)以比光速還快的表觀速度運(yùn)動，當(dāng)然這是不可能的。這種現(xiàn)象被稱為超光速運(yùn)動，實(shí)際上是一種錯覺，當(dāng)一束物質(zhì)以接近——但低于——光速向地球運(yùn)動時，地球上的觀測者就會產(chǎn)生這種錯覺。

該研究小組的觀察結(jié)果發(fā)表在2018年10月4日的《自然》雜志上。該研究結(jié)果表明，微型類星體噴流末端的電子加速和碰撞產(chǎn)生了強(qiáng)大的伽馬射線?？茖W(xué)家們認(rèn)為，研究來自這個小類星體的“信使”，可能會讓我們有機(jī)會一瞥發(fā)生在遙遠(yuǎn)星系中心的極端事件。

為了收集伽馬射線數(shù)據(jù)，該小組還動用了高海拔水切倫科夫伽馬射線天文臺(HAWC)。該天文臺的建造目標(biāo)，就是觀察來自超新星殘骸、類星體和旋轉(zhuǎn)致密恒星脈沖星等天體的伽馬射線。HAWC探測器位于墨西哥內(nèi)格拉火山附近，海拔約13500英尺，由300多個水箱組成，每個水箱直徑約24英尺。當(dāng)粒子撞擊水面時，它們會產(chǎn)生一種稱為切倫科夫輻射的藍(lán)光沖擊波，再由水箱里的特殊攝像機(jī)將光線記錄下來，從而使科學(xué)家們能夠確定射入的伽馬射線的來源。

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，研究小組已經(jīng)確定了這個微類星體的基本特征，他們將其命名為SS 433，距離地球約15000光年。包括SS 433在內(nèi)，科學(xué)家們已經(jīng)在我們的星系中看到了大約12個微型類星體，其中只有寥寥幾個會發(fā)射出高能伽馬射線。隨著SS 433的接近和定向，科學(xué)家們獲得了一個難得的機(jī)會來觀察未知的天體物理現(xiàn)象。

“SS 433就在我們附近，因此，利用HAWC獨(dú)特的廣闊視野，我們能夠解決兩個微類星體粒子加速位點(diǎn)的問題，”美國馬里蘭大學(xué)教授、HAWC合作項(xiàng)目首席研究員兼發(fā)言人古德曼(Jordan Goodman)表示，“通過將我們的觀測數(shù)據(jù)與其他望遠(yuǎn)鏡的多波長、多信號數(shù)據(jù)相結(jié)合，我們可以提高對SS 433及其巨大的星系外星系類星體粒子加速度的理解?！?/p>

這種類星體是巨大的黑洞，它們并非以恒星為食，而是從星系中心吸收物質(zhì)。它們不斷向外釋放輻射，將其射向宇宙的每個角落。但類星體離我們十分遙遠(yuǎn)，以至于我們探測到的大多數(shù)類星體，都是因?yàn)樗鼈冇猩淞黠w向地球，就像用手電筒直接照在了我們的眼睛上。相比之下，向SS 433這種噴流方向遠(yuǎn)離地球的就很難發(fā)現(xiàn)，這次HAWC發(fā)現(xiàn)的伽馬射線也只是來源于噴流而非類星體。

無論來自哪里，伽馬射線都以直線的方式到達(dá)它們的目的地。如果到達(dá)地球，伽馬射線中的物質(zhì)會與大氣中的分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的粒子和能量較低的伽馬射線。然后，每一個新粒子都會撞擊到更多的物質(zhì)，當(dāng)信號向地面級聯(lián)時，就會產(chǎn)生一個粒子簇。

HAWC合作項(xiàng)目人員研究了長達(dá)1017天的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了伽瑪射線來自于小類星體噴流的末端，而不是恒星系統(tǒng)的中心部分的證據(jù)。根據(jù)他們的分析，研究人員得出結(jié)論，噴流中的電子獲得的能量，比使用地球粒子加速器(比如位于法國和瑞士交界處的城市大小的大型強(qiáng)子對撞機(jī))所獲得的能量高出1000倍。射流的電子與穿透空間的低能量微波背景輻射發(fā)生碰撞，導(dǎo)致伽馬射線放射。這是在這種系統(tǒng)中產(chǎn)生高能伽馬射線的一種新機(jī)制，與科學(xué)家觀察到的射流射向地球的情況明顯不同。

該項(xiàng)研究的共同作者、聯(lián)合空間科學(xué)研究所(UMD和美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的合作伙伴)前博士后研究員柯方(音譯)說，這種新的發(fā)現(xiàn)對于理解SS 433的情況至關(guān)重要。

“只看到一種來自SS 433的光就像只看到動物的尾巴一樣，” 柯方說， “因此，我們將它的所有信號，從低能量無線電波到x射線，與新的高能伽馬射線觀測結(jié)合起來，來找出真正的野獸——SS 433?！?/p>

到目前為止，儀器還沒有觀測到從SS 433發(fā)出的高能量伽馬射線。但是HAWC一開始就被設(shè)計成對光譜的這一極端部分非常敏感，而且它還有相當(dāng)廣闊的視野，可以隨時觀察整個頭頂?shù)奶炜眨芸赡茉谖磥砣〉靡恍┏删汀?/p>

值得一提的是，伽馬射線的發(fā)現(xiàn)，近年來一直在為科研人員帶來“驚喜”。今年8月，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從太空深處發(fā)出的伽馬射線暴表現(xiàn)出了一些前所未有的奇異行為，和6次極高能量的電磁能爆發(fā)相似，而這些爆發(fā)顯示了復(fù)雜的時間可逆性波狀行為(時間在這一行為中似乎會倒退重復(fù))證據(jù)。

不過，科學(xué)家認(rèn)為這一行為并不能證明時間旅行的可行性。相反，他們現(xiàn)在認(rèn)為這些反復(fù)暴發(fā)就像高速釋放的帶電粒子，在星系碎片中不斷反彈，就像回聲一樣?？茖W(xué)家稱，這會產(chǎn)生一種不尋常的信號，然后在數(shù)十億光年的跨度內(nèi)不斷受到干擾(或者稱為噪音)并進(jìn)一步扭曲。了解這一現(xiàn)象可以幫助我們深入了解大質(zhì)量恒星的死亡，甚至揭開黑洞形成的奧秘。

時間逆轉(zhuǎn)脈沖結(jié)構(gòu)的存在使我們相信，伽馬射線暴的物理模型必須包含很強(qiáng)的物理對稱性，并與單個碰撞塊發(fā)生相互作用，”美國查爾斯頓學(xué)院的研究人員在論文中寫道，“我們已經(jīng)探索了許多簡單的運(yùn)動學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)一種可能是伽馬射線暴中的受撞擊物質(zhì)必須呈雙向?qū)ΨQ分布，并且受到單個碰撞塊的撞擊，這種物理現(xiàn)象是造成單個碰撞塊過程逆轉(zhuǎn)的原因;另一種可能是單個碰撞塊在穿過雙邊對稱分布的物質(zhì)時產(chǎn)生了發(fā)射。”

另外簡單說說超光速運(yùn)動。1994年春天，來自法國薩克萊的米拉貝爾(Felix Mirabel)和來自墨西哥城國立自治大學(xué)的羅德里格斯(Luis Rodriguez)觀察到一種名為GRS 1915+105的x射線發(fā)射物體，該物體剛剛出現(xiàn)無線電爆發(fā)的事件。據(jù)了解，這個天體距離我們大約4萬光年遠(yuǎn)，就在我們自己的銀河系中。他們的VLA觀測時間序列顯示，1915年和105年從GRS噴射出來的一對物體正在以超光速運(yùn)動。這是我們第一次在銀河系中發(fā)現(xiàn)超光速運(yùn)動。

這一令人驚訝的結(jié)果表明，星系中心的超大質(zhì)量黑洞——比太陽大幾百萬倍的黑洞——存在一個更小的黑洞，能夠產(chǎn)生類似的高能噴流。GRS 1915+105被認(rèn)為是一個雙星系統(tǒng)，其中一個成分是黑洞或中子星，質(zhì)量只有太陽的幾倍。另一顆質(zhì)量更大的星體不斷從它的伴星上吸取物質(zhì)。在被拉入吸積盤之前，這些物質(zhì)圍繞著巨大的物體旋轉(zhuǎn)。吸積盤的摩擦產(chǎn)生的溫度足以使物質(zhì)發(fā)射出x射線，而磁化過程據(jù)信會加速射流中的物質(zhì)。

在米拉貝爾和羅德里格斯從GRS 1915+105中發(fā)現(xiàn)了超光速運(yùn)動后，其他幾個星系的“微型類星體”也逐漸被VLA和VLBA發(fā)現(xiàn)和研究。1999年，NRAO天文學(xué)家海吉明(Robert Hjellming)在一場x射線爆發(fā)后24小時內(nèi)，將VLA轉(zhuǎn)向發(fā)生爆炸的位置。通過與麻省理工學(xué)院的史密斯(Donald Smith)和雷米勒德(Ronald Remillard)合作，海吉明發(fā)現(xiàn)這個天體是一個距離地球1600光年的微型類星體，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的離地球最近的黑洞。

我們星系中的微型類星體，因?yàn)樗鼈冸x我們更近，因此更容易研究，他們目前已經(jīng)成為揭示產(chǎn)生超快物質(zhì)噴射的物理過程的無價的“實(shí)驗(yàn)室”。

在上圖中，左上方的圖片是從大質(zhì)量黑洞x射線雙星Cyg~X-1中噴射出穩(wěn)定的毫弧秒級射流;右上方是來自超光速星系射流源GRS~1915+105的瞬態(tài)射流;左下是發(fā)現(xiàn)的第一個星系源的射電射流，雙星軌道幾乎是側(cè)立的，SS 433的進(jìn)動吸積盤使其射流每162天在天空中追蹤一個“開塞鉆”;右下是在1e ~140.7-2942星系中心黑洞周圍的無線電射流化石。