黑洞为光线在宇宙中传播扫清道路

　　 【导读】宇宙形成之前，天地一片黑暗。但数亿年之后，最初的恒星光线却能在宇宙中自由穿梭。 究竟是什么打破了最初的黑暗？这依旧是个未解之谜。现在，天文学家通过对距离地球六亿光年外一个不同寻常的星系进行了研究，提出了一个新的假设：是黑洞为光线能够在宇宙中传播扫清了道路。

巨型黑洞正在发挥“宇宙吸尘器”作用

　　爱荷华大学及哈佛-史密松森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，缩写为CfA）能够提出这个新奇的想法，都要归功于对六亿光年外一个不同寻常星系进行的观测。
　　科学家观察到，距离地球大约6亿光年之外有一个编号为Tol 1247-232的星系，该星系是迄今所知仅有的三个发射出强烈紫外辐射的星系之一。更为特殊的是，该星系紫外辐射频率为我们所称的赖曼系。赖曼是美国物理学家、光谱学家，在其研究生涯中致力于远紫外光谱的研究，曾研制成能够测量波长短于200nm谱线的真空摄谱仪。1906年赖曼和密立根进行合作，在氢原子光谱的远紫外区发现了赖曼线系，故以其姓名对该远紫外区光谱线系进行命名。
　　赖曼系辐射就是氢原子从一系列高能级向基态跃迁时产生的一系列谱线，赖曼系辐射具有刚好能够将电子从氢原子中电离出来的能量，这一特性使得赖曼系成为了一种重要的电离辐射。宇宙空间中弥漫的厚重气体云雾和空间尘埃会阻挡紫外辐射，导致很难在地球上直接观测到这种频率的空间辐射。
　　既然Tol 1247-232星系的紫外辐射能够传播到地球，这意味着Tol 1247-232星系中一定发生着其他星系所没有发生的事情。2016年5月，研究人员在该星系内部观察到一个单一的X射线源，其亮度存在上下波动，且其位置位于一个恒星新生区域内部。这让科学家们意识到，该射线源并非一个恒星。
　　“恒星亮度不会出现类似这样的变化，”爱荷华大学的首席研究员菲利普·卡莱特说。  “我们的太阳就是一个很好的例子。要想发生这样的亮度变化，导致出现波动变化的因素必须是该处存在着小型天体，而这样尺度的天体应该就是一个黑洞。”
　　在Tol 1247-232星系附近还有一个编号为Haro 11、同样会放射紫外辐射的星系，但Tol 1247-232星系所放射的X射线要比Haro 11星系强烈得多。
　　“黑洞会吞噬其附近空间内的所有物质。在吞噬物质的过程中，由于大量物质在盘旋下落进入黑洞的过程中会围绕黑洞周围形成圆盘状的吸积盘，吸积盘内物质颗粒之间剧烈摩擦，出现极高的温度并产生强烈的X射线辐射。这是科学家们判定黑洞存在的标志之一，”卡莱特说。
　　是不是这些强烈的黑洞将宇宙尘埃扫到一边，以便该星系发出的赖曼系辐射能够穿过空间到达地球？
　　这个问题的实质是，黑洞就好比宇宙吸尘器，在其紧密相邻的周边吸收宇宙尘埃并形成微小间隙。这一过程不像吹落叶的风机，并不能把周围的东西全部吹干净，不会形成一大片清洁的宇宙空间。
　　因此，天文学家尚不完全确定，黑洞到底是在吹，还是在吸。黑洞的旋转很有可能对此存在着影响。
　　黑洞巨大的引力不停吸引其周边的物质，在吸收过程中黑洞旋转会加速，并不断提高黑洞视界边缘物质的卷吸涡动能。这里所说的黑洞视界是时空的分界面，也就是光子无法逃逸出去的时空界面。
　　黑洞引力不仅形成了天文学家赖以确定星系位置的X射线，还会导致出现巨大的能量喷射，因为黑洞吸积有角动能的物质进入黑洞，物质的质量损失了，可是角动能守恒，角动能靠空间的湍流产生一种粘滞力并传给了离黑洞距离远的物质，这种角动能使得远处一点的物质相互发生非常激烈的摩擦和碰撞，并产生摩擦力和电磁力，从而产生X射线并以光速逃逸出来，远远看去就象是黑洞形成了强大的X射线喷流。
　　“物质在向黑洞坠落的过程中会发生旋转，并发出剧烈的辐射，将部分物质喷射出来，”卡莱特说。“喷射流带来的强烈风暴为紫外辐射开辟了逃逸途径。”
　　这一点不仅是对类似于Tol 1247-232星系等具有莱曼系辐射星系特点的一种可能解释，它还可能解释宇宙早期再电离纪元时代的巨大谜团。这里需要对再电离纪元时代进行一点解释：在宇宙大爆炸初期，物质处于一个高温高密的等离子体状态，随着宇宙的膨胀而不断冷却。质子和电子复合成氢原子，几乎完全中性的宇宙进入了相对平静的“黑暗时期”。而在我们今天的宇宙中，星系际介质里的气体是高度电离的。这之间，宇宙经历了从中性到电离的一个非常重要的演化阶段——再电离。宇宙再电离开始于第一代恒星形成并放出宇宙第一缕曙光的时候（大约在大爆炸后4亿年），这些恒星和星系发出的高能光子中有一部分透出，使星系周围比较稀薄的气体电离。随着星系的不断形成，电离区逐渐扩大并相互连结。当电离区覆盖整个宇宙中的星系际介质时，再电离完成。宇宙的再电离是星系形成与演化的关键阶段，也是至今人类所认知的宇宙演化历史中的一块重要空白，因此近年来已成为宇宙学与天体物理学中的一个极活跃的研究方向。
　　宇宙爆炸之后，空间不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成亚原子粒子的浓密气体团。在空间扩大之后，冷却形成的离子聚合形成质子、电子，最终形成了氢原子。
　　然后，在重力作用下，氢原子集聚到一起形成了第一批放射出辐射的恒星。但此时的宇宙仍旧弥漫着氢元素气体团，妨碍光线远距离传播。
　　此时就是所谓的宇宙黑暗时期，正如这个名称一样，这时由于没有新的光源产生,宇宙是黑暗的。尽管此后逐渐有恒星、星系诞生,但它们产生的光仍然很暗,并且被弥散在宇宙中的“氢气雾”遮掩，无法远距离传播，导致我们无法当时了解所发生的具体情况。
　　大爆炸之后的1-10亿年后，巨大恒星放射出莱曼辐射，其紫外光将氢原子的电子电离，使这些氢原子再次转变为离子。只是，莱曼辐射究竟是如何穿透了浓密的、黑暗的雾，目前还没有一个令人满意的答案。
　　但是，Tol 1247-232星系给这个问题的解答带来了一些启示，对该星系的研究告诉我们，可能是第一个巨型黑洞发挥了“宇宙吸尘器”的作用，部分扫除了弥散在宇宙中的“氢气雾”，为电离辐射的传播扫清了障碍。
　　“黑洞就是通过这样的方式来让宇宙变得透明的，”卡莱特说。
　　

来源：http://www.sciencealert.com

译者：朱   川

责编：钟狼将

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