[科普中国]-光线如何从宇宙黑暗时代逃逸？多亏有黑洞

上图是艺术家描绘的一个超大质量黑洞，它被落入其中的漩涡物质盘环绕，黑洞上方有一个紫色光球，该现象包含着可以产生X射线的高能量粒子，它紫色光球向内聚集，将变得更加明亮，之后从黑洞喷射出来。据国外媒体报道，宇宙大爆炸之后大约5亿年，光线是如何从昏暗的宇宙“黑暗时代”冲脱出来的？目前，科学家最新研究可能揭晓宇宙最古老的谜团之一，而这个故事中令人惊奇的主角是每个人都喜欢的“天文大反派”——黑洞。这个故事开始于大爆炸之后的几分之一秒，当时宇宙正以指数级膨胀。在大约40万年的时间里，宇宙迅速冷却，变成由基本粒子构成的宇宙汤，并形成了致密的氢气。这开始了所谓的“宇宙黑暗时代”，这一时期宇宙笼罩在黑暗之中。早期恒星和星系释放的任何光线都几乎立即被周围的密集中性氢介质吸收，但是莫名其妙地，星系际介质从寒冷和中性状态变成温暖和电离状态。宇宙学家理论认为，早期恒星和星系产生足够强烈紫外线可以燃烧致密氢气，从而引发再电离纪元，使宇宙奇迹地充满光线，正如现今我们所观测到的。科学家并未很好地理解该过程是如何发生的，因为其它理论显示，黑暗时代中恒星和星系的紫外线辐射强度不足于通过中性氢来释放。但是基于钱德拉X射线天文台近期观测的一项最新研究可能提供了重要线索。该研究报告发表在的最新出版的《皇家天文学会月刊》上。尽管黑洞以吞噬周围光和物质而闻名，但是一些黑洞却被认为喷射高能量X射线粒子。研究报告作者、美国爱荷华大学菲利普·卡雷特（PhilipKaaret）称，当物质落入黑洞时，它将开始旋转，并且迅速旋转会将一部分物质推出黑洞之外。它们产生的强风可以打开紫外线的一条“逃生通道”，这可能发生在星系早期阶段。卡雷特和研究小组研究了Tol1247-232星系的钱德拉观测数据，该星系距离地球6亿光年，它是出现紫外线逃逸的最邻近3个星系之一。2016年5月，钱德拉天文台观测到来自Tol1247-232星系的单个X射线源，其亮度存在盈亏变化。卡雷特和同事们认为，这个X射线源不会成为恒星。卡雷特说：“恒星并不会出现亮度变化，我们的太阳就是一个很好的例子，为了实现亮度改变，它必须是一个较小天体，真实缩小至一个黑洞。”从黑洞喷射的X射线物质流好像是从邻近气体介质洞中爆发出来，从而使紫外线得以逃逸。他还指出，很可能黑洞正在制造风，有助于恒星电离辐射逃逸，因此，黑洞可能使宇宙变得更加透明。当引力牵引物质朝向黑洞内部，黑洞会旋转得更快，伴随着黑洞引力牵引增强，这种旋转速度将产生能量。研究小组指出，在Tol1247-232星系中，早期宇宙爆发的X射线拥有充足热量和能量，将中性气体和尘埃吹走，并且紫外线辐射“泄漏”出来。卡雷特在一封电子邮件中解释称，宇宙中许多早期星系都存在着超级恒星，这些恒星进化非常快速，死亡后形成黑洞。黑洞周围的物质非常炽热（高达数百万开氏度），并能形成X射线，在这项最新研究中，紫外线来自于炽热恒星，温度高达1000-100000开氏度。虽然黑洞很可能具有这种机制，但是研究小组希望缩小黑洞类型，同时，他们表示，还有其它的可能性来解释他们的观测结果。研究人员在报告中指出，另一种可能性来源是X射线喷射，来自于极亮（ULX）或者超亮（HLX）X射线源，ULXs被认为是包含恒星质量黑洞或者中子星的X射线双星，HLXs被认为是类星体或者中等质量黑洞。他们表示，使用钱德拉X射线天文台反复拍摄Tol1247-232星系图像可以揭晓是否X射线喷射源自单个来源或者多个来源。此外，研究小组开始观测另一个类似的星系——Haro11，并表示从两个天体实例中获得强有力的证据是不可能的。目前，他们希望观测更多的星系进一步验证。（编辑：p_vhehwang）