環球科學 - 30年前對宇宙最亮天體的預言，終於被證實了－鑽石舞台

左圖為M77星系，右圖為研究團隊用MATISSE觀測到的活動星系核。圖片來源：ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.

宇宙中大部分星系和銀河系一樣，光線主要是由恆星發出的。不過，也有一些星系核心發出的光足以讓整個星系顯得暗淡無光，它們被稱為活動星系核。活動星系核有很多種表現形式，其中類星體被認為是宇宙中最亮的天體。30年前，天文學家預言所有活動星系核都共享一個「統一模型」，近日，科學家終於通過紅外干涉儀的圖像證明了這一點。

編譯｜王昱

審校｜白德凡

1924年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）分解出了仙女座大星雲（M31）中的造父變星，發現其距離超出了銀河系的尺度，這革新了天文學家的認知——在銀河系外，同樣存在無數的河外星系。從那之後，天文學家在不同波段對大量星系展開了統計觀測。他們發現大部分星系和銀河系一樣，光譜主要為黑體輻射譜，這表明它們的光都是由恆星的熱輻射發出的。

活動星系核

不過，上世紀中葉以來，天文學家逐漸發現少部分不一樣的星系。這些星系非常亮，其光譜也顯示出明顯的非熱輻射特徵。同時，這些星系的光譜能在幾天到一年內迅速發生變化，這說明整個星系主要發光的部分尺度不超過1光年。這些星系被稱為活動星系，而它們最明亮的核心，就是讓天文學家心馳神往的活動星系核（active galactic nucleus, AGN）。

說到全宇宙中最高能的天體，常常會讓人想到超新星。對公元1054年的超新星，史書記載道：「晝見如太白，芒角四出，色赤白。」即使是白天，人也能用肉眼看到超新星，亮度和金星（太白）相當。但如果按絕對亮度來算，活動星系核產生的類星體才是宇宙中最亮的天體。但是由於距離太過遙遠，直到上世紀中葉，天文學家才逐漸確認它的存在。

除此之外，有的活動星系核還會釋放射電輻射；有的活動星系核則略顯克制；有的還存在綿延數千光年的噴流，在一些星系中，因為角度和速度的關係，噴流的速度在我們看來甚至超越了光速。（當然，這是一種視錯覺。）

類星體3C 279的藝術想象圖，天文學家曾在其中觀測到過視超光速現象。圖片來源：ESO/M. Kornmesser

統一模型

不過，1993年，羅伯特·安東努奇（Robert Antonucci）提出了一種「統一模型」，他認為，所有的活動星系核本質上都是一樣的，都是一個被厚重塵埃環圍繞的超大質量黑洞，它以塵埃為食，物質在被黑洞吞噬前，會繞着黑洞盤旋加速，釋放大量能量，這個過程中釋放的非熱輻射會讓整個星系都黯然失色。我們觀測到不同類型的活動星系核，只是因為它朝向我們的方向不同而已。

活動星系核的統一模型，從不同方向上看，活動星系核分別會表現出不同的性質。圖片來源：Urry & Padovani (1995)

因為這種模型簡單且合理地解釋了天文學家觀測到的現象，並且和觀測事實符合的也很好，它很快被廣泛接受了。天文學家之前也找到了一些能支持「統一模型」的證據，其中包括在M77星系中心發現了暖塵埃。然而，對於塵埃能否完全遮蔽黑洞的懷疑仍然沒有消解，天文學家仍然懷疑這是否能解釋為何M77中心的活動星系核在可見光上比其他的暗。

不過，多虧了歐洲南方天文台甚大望遠鏡干涉儀（VLTI），由荷蘭萊頓大學的維奧萊塔·加梅茲·羅斯（Violeta Gámez Rosas）領導的一個研究團隊終於能給M77星系中心的活動星系核拍攝一張特寫。在厚厚的塵埃後面，隱藏着這個星系中心的狂暴的超大質量黑洞，這證實了30年前的預測，將人類對活動星系核的理解向前再推一步。相關結果近日發表在《自然》雜誌上。

塵埃中的黑洞

「塵埃雲的性質，以及它們如何作用於黑洞供能，如何決定了黑洞看上去的樣子，在過去三十年裡一直是活動星系核研究的核心問題。」羅薩斯解釋道，「雖然沒有一勞永逸解決所有問題的結果，我們仍然在理解活動星系核機制上邁出了重要的一步。」

本次觀測是由安裝在智利阿塔卡馬沙漠VLTI上的多孔徑中紅外光譜實驗（MATISSE）實現的。MATISSE能將VLT的四座8.2米望遠鏡收集的紅外光用干涉技術合併起來，研究團隊用它掃描了M77的中心，該星系位於鯨魚座方向，據我們4700萬光年。