□ 供稿/赵冬瑶

1. “时光动画”揭示银河系暗物质晕的形状

由中国天文学家领导的，来自中国科学院大学、北京大学、上海交通大学、中国科学院国家天文台等院所的天文学家团队，最近公布了他们的最新研究结果——对现今银河系暗物质晕的形状进行了确定。这项研究为暗物质晕和银河系演化提供了重要限制和线索。相关文章发表于2024年6月27日的《自然·天文学》杂志。

作为人类所生存的星系，天文学家一直想深入理解银河系的演化历史。天文学家已经了解到，在近邻盘星系中，大约三分之一的星系盘都有着明显的扭曲，像薯片一样，被称为翘曲。银河系也不例外，它的星系盘也呈现出翘曲的特征。此外，银河系是一个正在转动的盘星系，包裹着它的暗物质晕在其上施加了扭矩，致使银盘的翘曲存在进动。如果可以准确测量银盘翘曲的进动，就可以推断出其暗物质晕的形状，从而揭示更多银河系的演化历史。

近几十年来，天文学家付出了很多努力，来确定银盘翘曲进动的方向和速率，但结果仍然存在很大争议。例如，此前的研究利用明亮年老巨星作为示踪天体，通过它们的垂直运动计算翘曲的进动。然而，明亮年老巨星的运动会受到多方影响，造成测量的准确度非常有限，而得到的暗物质晕也从扁球形到长球形不等。

此次研究则利用了更加稳定的示踪天体——造父变星，并首创了“时光动画”的方法，精确地测量了翘曲进动的方向和速率。具体来说，研究团队首先从盖亚天文卫星的观测数据中确定了2613颗经典造父变星，之后利用郭守敬望远镜的数据准确测量了这些造父变星的距离和年龄。由于每颗造父变星都保留了其诞生时的位置信息，因此通过将造父变星分组为不同的年龄范围，研究团队就能够绘制出在不同时间点时造父变星的三维空间分布，也就是不同时间点时银盘翘曲的形状。将不同时间点的图像连起来播放，就可以看到翘曲的进动，从而得到准确的进动方向和速率。

研究人员最终发现，我们的银盘是在逆行进动的（与银河系的自转方向相反），进动速率为每百万年0.12度。结果还表明，在径向上越远离银河系中心，进动的速率会越低，这将导致银盘翘曲的程度越来越大。根据进动的准确测量，研究人员通过模型得到了银河系暗物质晕的形状：略扁的扁球体，扁率（短轴与长轴之比）处于0.84-0.96的范围内。此外，此次研究使用的造父变星的年龄都在2亿年内，是比较年轻的造父变星，因此根据它们的“时光动画”直接推导出的是当今银河系暗物质晕的形状。

2. 利用原初黑洞对暗物质解释的尝试

现代物理学的一个主要未解之谜是暗物质到底是什么。很大一部分科学家认为，暗物质是由未知的基本粒子组成的。尽管经过了几十年的努力，目前任何实验都没有发现可能构成暗物质的新粒子。近期，发表于2024年6月24日的《自然》和《天体物理学报增刊》杂志上的最新研究，探讨了暗物质是否可以通过宇宙中另一种神秘天体来解释：大质量黑洞。

激光干涉引力波观测台（LIGO）和室女座引力波探测器（Virgo）于2015年首次探测到来自双黑洞并合发出的引力波后，它们已经探测到超过90个来自此类事件的引力波。引发这些引力波的黑洞通常是太阳质量的20100倍，位于遥远的宇宙深处。相比之下，在银河系中发现的黑洞通常只有5-20个太阳质量。天文学家已经知道，银河系中的黑洞是由大质量恒星塌缩而产生的，那么如何解释LIGO和Virgo探测到的遥远大质量黑洞呢？

天文学家认为，一种可能的解释是，这些大质量黑洞可能来自原初黑洞，后者形成于宇宙极早期；并且这些原初黑洞可能构成了暗物质的很大一部分，甚至全部。根据估计，暗物质占银河系质量的90%至95%。这意味着，如果暗物质是由原初黑洞构成的，我们的星系应该包含许多大质量黑洞。因此，天文学家认为如果能够在银河系暗物质晕中探测到大质量黑洞，那么对原初黑洞构成暗物质的理论就可以进行验证。

这些黑洞虽然不发光，但仍然有方法探测到它们，即利用微引力透镜效应。微引力透镜虽然没有强、弱引力透镜那么明显的光线弯曲效应，但其透镜天体（一般为行星或恒星级天体）仍可以使背景源的亮度增加，从而被天文望远镜探测到。在微引力透镜的情况下，透镜天体通常会以有限的时间（几秒到几年）从背景源前穿过。期间，通过探测背景源的亮度变化，可以对尤其是不发光的透镜天体进行研究。此外，质量较大的透镜天体会使背景源亮度增加的时间变长，引发更长时间的微引力透镜事件。例如，质量接近太阳的透镜天体会引发背景源的变亮，并持续一周左右，而对于质量是太阳100倍的透镜天体，其引起的背景源变亮会持续数年之久。

天文学家此前利用微引力透镜对小质量黑洞进行过研究，但它们对大质量黑洞引发的长时间微引力透镜事件并不敏感。此次，由波兰天文学家领导的研究团队，对位于银河系暗物质晕中的大麦哲伦云星系中的近8000万颗恒星进行了长达20年的亮度监测，大大提高了对长时间微引力透镜事件探测的灵敏度，有助于发现大质量黑洞。研究团队预测，如果银河系的全部暗物质都是由10倍太阳质量的黑洞构成，那应该可以探测到258个微引力透镜事件；如果由100倍太阳质量的黑洞构成，则会发生99个事件；如果由1000倍太阳质量的黑洞构成，则会发生27个事件。

然而，经过分析观测数据，研究人员只发现了13个微引力透镜事件，并且它们的时间尺度都没有超过一年。研究团队详细计算后表明，10倍太阳质量的黑洞最多可以构成1.2%的暗物质，100倍太阳质量的黑洞最多构成3%的暗物质，而1000倍太阳质量的黑洞最多构成11%的暗物质。此次研究的结果表明，原初黑洞不可能构成很大一部分的暗物质。

3. 实时观测到超大质量黑洞苏醒

2019年12月，茨威基暂现源设施（ZTF）向天文学家发出警报，探测到了一个距离地球3亿光年的星系的突然耀发。但后续的多波段观测表明，此次耀发事件并不普通，无法用任何典型的宇宙现象来解释。

此次耀发所在的星系为SDSS1335+0728，在2019年底的耀发之前，它只是一个普通的早型星系，并不起眼。耀发之后，天文学家对其进行了持续的观测，至今已经长达4年多。近期，由欧南台天文学家领导的团队，对SDSS1335+0728耀发前后的多波段测光和光谱数据进行了仔细分析，数据覆盖了从伽马射线到红外波段，并发现了其特别之处。研究团队发现，在2019底之前的过去至少20年里，这个星系一直处于“沉睡”的安静状态，即其中心超大质量黑洞处于非剧烈吸积的状态。而2019年底至今，测光数据表明，第一，自2021年以来，该星系的紫外辐射是2004年观测到的紫外辐射的4倍；第二，自2022年6月以来，中红外辐射上升了两倍多，并且颜色变得更红；第三，自2024年2月以来，该星系开始显示出X射线辐射。

此外，光谱数据表明，第一，窄发射线比例与高能电离连续区所产生的窄发射线比例一致；第二，在ZTF发出警报后的约3.6年后，[OIII]发射线的流量增加了，这意味着窄线区的辐射被激发了。所有这些观测数据都显示出，在距离SDSS1335+0728耀发后的4年多的时间中，它仍然保持了辐射强度，甚至在很多波段还越来越明亮。对于天文学家来说，此次耀发持续的时间异常长，光变过程在其他星系中从未观测到过。

对于星系中的耀发，天文学家比较容易想到两种情况。一种是超新星爆发，这通常是大质量恒星耗尽内在核聚变所需的燃料供应后死亡的过程，但已知这种爆发的辐射仅会持续数天或数月。另一种是潮汐瓦解事件，当恒星太靠近黑洞并被撕裂吸积时，可以辐射出巨大能量，但其亮度通常也只持续几十天，最多几百天。

研究团队认为，解释SDSS1335+0728辐射变化最切实可行的选择是，我们正在看到潜伏在星系中心的质量为百万个太阳质量的超大质量黑洞被激活，它正从沉睡中醒来，开始剧烈吸积吞噬周围的物质，发出剧烈的辐射，进入活动星系核的阶段。如果真是这样，这将是天文学家第一次实时观测到超大质量黑洞的“苏醒”。此外还有另一种可能的解释，即此次耀发是一次异常缓慢的潮汐瓦解事件，那么这将是有史以来观测到的、持续时间最长的潮汐瓦解事件。研究团队需要进行更多的后续观测以确定SDSS1335+0728的图景，但是无论如何，它都提供了有关超大质量黑洞演化的宝贵信息。此次的研究结果发表于2024年5月27日的《天文学和天体物理学》上。

4. 两个新的银河系伴星系被发现

银河系有多少个伴星系？几十年来，这一直是天文学家面临的一个重要问题。尤其引起天文学家担心的是，实际观测到的银河系伴星系比标准宇宙学模型预测的要少，即“伴星系缺失问题”。近期，由日本天文学家领导的团队发现了两个全新的银河系伴星系，这将帮助天文学家更好的理解星系和暗物质演化。研究结果发表于2024年6月8日的《日本天文学会会刊》上。

暗物质是宇宙的一个重要组成部分，对宇宙大尺度结构和星系演化都起着非常重要的作用。标准宇宙学模型预测，在早期宇宙中，在密度起伏的引力作用下，暗物质会首先塌缩形成暗物质晕，随后普通物质在暗物质晕的引力场中不断聚集成长，最终形成像银河系这样的大型星系及较小的伴星系。在观测上，天文学家已经断定了暗物质晕的存在，它们包裹着星系，大小远远超出了星系可见物质的范围。宇宙学模型还预测，大型星系周围应该有数百个伴星系。例如，我们的邻居仙女座星系应该被大约500个伴星系包围，而银河系应该被大约220个伴星系环绕。然而，事实上，天文学家目前只找到仙女座星系的39个伴星系，而银河系的伴星系也只发现了约60个。

这些已知的60多个伴星系分布在距离银河系约140万光年的范围内，其中最著名和最大的伴星系是大麦哲伦云星系和小麦哲伦云星系。此次项目的研究人员认为，之所以目前发现的银河系伴星系较少，可能是因为多数伴星系太暗弱或者距离太遥远，难以探测。在此次的研究中，团队利用了位于美国夏威夷的昴星团望远镜，它强大的观测能力非常适合发现暗弱遥远的伴星系。事实上，研究团队利用昴星团望远镜，此前已经发现了三个新的伴星系。此次新发现的两个伴星系被命名为六分仪座II和室女座III，距离太阳分别约为41万光年和49万光年，都属于极暗矮星系。然而，这次的新发现却为天文学家带来了之前面临的相反问题，即观测到的伴星系可能远多于模型预测。

目前在昴星团望远镜的覆盖区中总共发现了9个伴星系。考虑到昴星团望远镜只能观测到很小一部分的天区，研究人员将昴星团望远镜的结果扩展到整个天区，估计了实际上应该可以观测到多少个伴星系围绕着银河系，计算结果为500个伴星系，这是宇宙学模拟预测数量的两倍多。研究团队综合了其他观测结果后认为，可能银河系的伴星系实际上并不是均匀分布的，而昴星团望远镜观测的天区正好是伴星系聚集的区域，那么基于昴星团望远镜的观测结果而进行的估算就会被夸大。研究团队计划下一步利用薇拉·鲁宾天文台对伴星系进行更多的观测研究。

5. 星系OJ 287的次黑洞被直接观察到

天文学家在理论上早已预测星系OJ 287的中心有两个黑洞存在。最近，发表在2024年6月11日《天体物理学报》上的研究文章，为理论预测首次提供了直接观测证据，证实了系统中质量相对较小的次黑洞的存在。

星系OJ 287是一个耀变体。耀变体是活动星系核的一种，特点是星系中心活跃的超大质量黑洞拥有喷流，并且喷流几乎指向观测者，喷流速度接近光速。OJ 287距离地球约40亿光年，是距离我们最近的耀变体之一。它非常明亮，对其观测的记录最早可以追溯到19世纪。众多的观测数据表明，OJ 287每12年似乎都会变亮。2014年，芬兰天文学家提出假设，认为这种增亮来源于中心区域存在的第二个质量较小的黑洞，它绕着主黑洞运行并与其相互作用。次黑洞应该拥有椭圆轨道，每12年才会接近主黑洞一次。芬兰天文学家还推断，当次黑洞接近主黑洞时，它会从主黑洞周围的吸积盘中窃取物质，并在短时间内产生自己的喷流；这个喷流带来的耀发应该可以被天文仪器探测到。当时的预测是，下一次耀发将发生在2021年末。

因此，多个天文仪器和望远镜在2021年末对准了OJ 287。2021年11月12日凌晨2点（世界标准时间），凌星系外行星巡天卫星首先探测到了来自OJ 287的耀发：OJ 287的亮度增加了约两个星等，持续了大约12个小时。此次耀发释放的能量相当于100个普通星系在同一时间间隔内释放的能量。空间伽马射线望远镜和多个地面望远镜都证实了此次耀发。此外，耀发前对OJ 287主黑洞附近区域的观测表明颜色偏红，但耀发的12个小时之内，观测到的颜色变黄了，而耀发结束后，红色又回来了。这表明探测到的耀发的确来自次黑洞的辐射活动。这是首次在观测上直接证实了OJ 287双黑洞的存在，理论预测是正确的。研究人员根据观测数据估算了黑洞的质量。OJ 287主黑洞的质量高达183.5亿个太阳质量，而次黑洞的质量也达到了1.5亿个太阳质量。相比之下，银河系中心黑洞只有约400万个太阳质量。

此次耀发仅持续12个小时。这么短的持续时间表明，除非事先知道耀发的时间，否则很难发现它，这也解释了为什么直到现在天文学家才得到首个探测结果。然而，这些双黑洞系统中的次黑洞可能很快就会以其他方式被揭露出来。这是因为它们预计会发射纳赫兹引力波。在未来几年，成熟的脉冲星计时阵应该能够探测到此类引力波。

6. 宇宙“黎明”时期发现“成熟”类星体

利用韦布空间望远镜（JWST），由德国天文学家领导的国际团队将观测聚集在了一个处于宇宙“黎明”时期的类星体上。他们最新的观测数据表明，宇宙早期的类星体并没有像之前想象的一样，在超级贪婪地吞噬周围物质，而是与近邻宇宙中的类星体并无区别。早期类星体如此“令人震惊的正常”，让天文学家对早期宇宙中超大质量黑洞的演化有了更多的认识。研究结果发表于2024年6月17日的《自然·天文学》杂志上。

此次研究的类星体为J1120+0641，处于宇宙大爆炸后仅7.6亿年的“黎明”时期，那时的宇宙年龄仅为现在的5%，仍然属于宇宙再电离时期。根据JWST的光谱数据，J1120+0641拥有一个约15亿倍太阳质量的超大质量黑洞。对于距离我们更近，处于宇宙更晚期的、量级约为10亿倍太阳质量的超大质量黑洞，天文学家可以较容易地利用吸积过程，对其成长进行解释。然而，此过程需要至少10亿年，这很难解释处于宇宙年龄不到10亿年、却已经成长到10亿倍太阳质量量级的黑洞，也就是J1120+0641的存在。

理论表明，黑洞通过吸积而成长的速度是有限的。当超大质量黑洞剧烈吸积周围物质时，吸积盘上的物质会被加热并辐射出大量能量，中心区域会变得非常明亮，并且通常会遮掩住宿主星系的总辐射，此时被称为类星体。然而，辐射会产生辐射压，向外推动物质，阻止它们被吸积进黑洞。黑洞吸积得越剧烈，其辐射压就越大，黑洞就越有可能切断自己的食物供应并停止生长，临界点被称为“爱丁顿极限”。对于早期的超大质量黑洞，天文学家认为它们可能比现今的超大质量黑洞拥有更有效的吸积，处于一种被称为“超有效进食模式”的状态，即“超爱丁顿吸积”。天文学家希望能在观测上找到证据，而这不仅需要对遥远类星体的吸积盘进行观测，也需要对“供给”结构，也就是“尘埃环”进行观测。尘埃环有助于将物质引导到吸积盘上，“喂养”黑洞。

JWST的投入使用，特别是其搭载的中红外仪器，使天文学家研究遥远类星体中心区域的能力有了巨大的飞跃。中红外仪器可以探测来自遥远类星体尘埃环的光谱，比同波段的其他仪器要灵敏4000倍。此项目是对宇宙黎明时期类星体的首次中红外研究。JWST在2023年1月对J1120+0641进行了大约两个半小时的观测。光谱数据表明，J1120+0641的尘埃环和宽线区都没有表现出特别的性质，并没有展现出“超有效进食模式”，它们与近邻宇宙中的类星体并没有明显区别。这个结果可能支持了另一种早期超大质量黑洞的成长图景，即这些巨无霸是由重种子黑洞形成，在早期宇宙中占据了先机。此次研究暗示了J1120+0641在宇宙大爆炸后不到7.6亿年就完全“成熟”了，天文学家对宇宙早期星系演化的了解，可能比他们想象的要少很多。

（责任编辑 卢瑜） LzurCTlyz9s1SNEkL/cbDy+Bs5sbOiIniLtGdhbAzpm3eN1MVqT+4K2oNb5jfNJZ