04 双超大质量黑洞被证实
OJ 287中心的双超大质量黑洞的艺术图Credit: AAS 2018
一般认为，活动星系核中心都存在着一个活跃的超大质量黑洞。而在近期的一项研究中，天文学家在一个类星体中心区域，证实了两个超大质量黑洞的存在。其中一个黑洞拥有一个奇特的椭圆轨道，这使它在围绕另一个黑洞运行时，会穿过同伴炽热的吸积盘，并发出明亮的耀发。
拥有双黑洞的类星体名为OJ 287，位于巨蟹座方向，距离地球约50亿光年。早在1888年，天文学家就通过照相底片发现了它，此后一直对它进行着研究。但对于OJ 287的中心区域，之前并没有引起天文学家的过多关注，因为早期数据看起来，它的中心就是一个超大质量黑洞。直到40多年前，天文学家注意到OJ 287中心发出的辐射存在两个周期，一个约为12年，另一个较长约为55年。两个周期的存在，可能是由两个超大质量黑洞相互绕转所导致的；较短的是轨道周期，较长的则是轨道方向随时间缓慢变化的结果。但天文学家需要更多的来自第二个黑洞的独立信号，才能确认中心双黑洞的存在。
这个信号可以来自于次黑洞穿过主黑洞吸积盘时所引发的耀发。具体来说，次黑洞在穿过主黑洞的吸积盘时，会加热其中的物质，它们会以膨胀气泡的形式被释放出来。这些热气泡会导致耀发，其亮度会超过一万亿颗恒星的总和，并持续大约两周，而最终冷却需要几个月的时间。从几十年前开始，天文学家就对OJ 287中心次黑洞的轨道进行了建模，并预测了耀发何时会发生。到目前为止，预测的耀发总数为26个，并且几乎所有的耀发都已被观测到，这证实了OJ 287中心存在一对超大质量黑洞。这对超大质量黑洞中的主黑洞质量为太阳质量的180亿倍以上，而次黑洞大约为1.5亿个太阳质量。此外，次黑洞的轨道是椭圆形，而并非圆形。
此次研究所涉及的2022年耀发观测，对OJ 287的研究带来了两个惊喜。其中之一是观测到了新型耀发：此次亮度是整个星系的100倍，而且只持续了一天。天文学家认为较小的黑洞在跌入主黑洞吸积盘期间吸引了大量气体；而吞噬这些气体，导致较小的黑洞产生高能量的喷流。十年前天文学家就预测了这样的事件，但直到此次观测才得以证实。第二个惊喜是，此次观测探测到了OJ 287六年以来最大的伽马射线辐射，正好就发生在较小的黑洞穿过主黑洞吸积盘的期间。
OJ 287的双超大质量黑洞，使该系统成为了探测引力波的理想候选者。引力波会将角动量从该双黑洞系统中带走，从而导致它们的绕转越来越接近。这意味着，OJ 287的两个黑洞最终将并合，形成一个更大质量的超大质量黑洞。相关研究结果发表于2023年3月25日的《皇家天文学会月刊》。
05 最早的复杂有机分子
SPT0418-47的韦伯空间望远镜假彩色像。前景星系为蓝色，背景星系为红色，呈现为爱因斯坦环，有机分子以橙色突出显示。Credit：J. Spilker / S.Doyle，NASA、ESA、CSA
近期，在距离地球超过120亿光年的星系中，研究人员探测到了复杂的有机分子，这是目前已知存在这些分子的最遥远星系。2023年6月5日的《自然》杂志详细介绍了该项工作。
该研究探测到的分子是多环芳烃，它们不是像水或二氧化碳这样的简单物质，而是有机大分子，由几十个或数百个原子组成。在地球上，这些分子可以在内燃机或森林火灾产生的废气中找到。而在宇宙中，这些复杂的有机分子非常常见，它们通常与微小的尘埃颗粒相关联。天文学家关注这种有机分子，是因为它们可以帮助揭示星系活动的关键细节，例如，它们会影响星际气体冷却的速度。然而，在宇宙早期的星系中，探测这些分子非常具有挑战性，这受限于望远镜的工作波长和灵敏度。
此次研究得益于引力透镜效应、以及刚发射不久的韦布空间望远镜。引力透镜堪称“自然的放大镜”，来自背景的遥远天体的光，会被前景大质量天体弯曲并且亮度被放大，尤其是当两个天体在视线方向上几乎完全重合时，会形成爱因斯坦环。研究团队将研究聚焦在了星系SPT0418-47，它通过爱因斯坦环被发现确认，被引力透镜放大了约30-35倍。SPT0418-47是一个遥远的富尘星系，距离地球120亿光年，对应的宇宙年龄不到15亿年，即目前宇宙年龄的10%左右。借助韦布空间望远镜的工作波长和强大能力，让研究人员得以对SPT0418-47的化学成分进行深入分析，从而发现了目前最早的复杂有机分子。之前的纪录保持者是斯皮策空间望远镜，此次韦布望远镜将纪录往宇宙更早期推进了10亿年。
SPT0418-47虽然处在宇宙早期，年龄只有银河系的十分之一，但它的质量已经和银河系相似，并且已经含有复杂的大分子。这意味着在宇宙早期，星系的形成速度比之前认为要更快。更通俗的比喻是，相当于一个人在八岁时，就已经经历了整个职业生涯：上完了大学、完成工作以及退休。韦布望远镜的高分辨率，还让研究人员确定了多环芳烃在SPT0418-47中的分布情况，而不仅仅是证明了它们的存在。数据表明，这些大分子在整个星系中的存在并不均匀。另外，天文学家此前曾认为，这些复杂的有机分子与恒星形成有关；然而，此次的新观测表明，在许多拥有这些分子的区域并没有恒星形成，而其他有新恒星形成的区域，却并未发现这些分子存在。这些新发现背后的原因，都有待今后的进一步研究，以推进对宇宙早期星系形成的更多了解。
06 更年轻的土星环
Credit: Pixabay/CC0 Public Domain
一项新的研究发现，已有迄今为止最强有力的证据表明，这些我们所熟知的土星环有着更年轻的历史，他们的年龄可能不超过4亿年。这个结果表明，土星环比土星本身要年轻得多，而后者大约已经有45亿年的历史。相关研究于2023年5月12日发表在《科学进展》杂志上。
土星环于1610年被伽利略首次发现。到现在的400多年里，天文学家们一直深深着迷于这些看似半透明的环。人们现在已经知道，土星被七个环所围绕，并从这颗气态巨行星的表面开始，一直延伸到大约282,000千米处。19世纪初，天文学家就发现土星环并不是实心的，它们实际上是由大小不一的冰块和尘埃颗粒所组成，一般比地球上的巨石要小。经过测算，土星环的总质量大约是土卫一质量的一半。
之前，天文学家一直不清楚土星环是什么时候形成的。20世纪流行的一种理论认为，土星环是在土星诞生时形成的。但这个理论站不住脚，因为在土星环中，98%的成分是水冰，只有很少量的岩石物质。如果土星环和土星同时形成，那么土星环不可能有如此干净的组成成分。
此次项目的研究人员为了估算出土星环的诞生时间，利用了土星环上的尘埃堆积。在太阳系中，微小的岩石颗粒几乎恒定地流经行星际空间，导致会在行星、卫星、小行星以及行星环系统上形成尘埃薄层。也就是说，当土星环形成时，行星际的尘埃颗粒就开始在其表面积累。可以把土星环想象成家中的地毯。当铺开一张干净的新地毯后，随着时间推移，尘埃就会开始不断地落在地毯上。一段时间过后，通过尘埃的积累量，就可以反推新地毯被铺开的时间。研究人员推断土星环的形成时间，也是利用了类似的原理。
这项研究的功臣是卡西尼号探测器。该航天器于2004年首次抵达土星并收集数据，于2017年主动受控坠入土星大气层，从而结束任务。尤其是在2017年的大结局前，卡西尼号最后围绕土星运行了22圈，其间不断穿越土星环。在13年的时间里，卡西尼号利用搭载的宇宙尘埃分析仪，对土星附近的163个尘埃团块进行了分析。通过测量研究人员估计出，尘埃在土星环上每年每平方英尺的堆积量不到1克。虽然很少，但随着时间的推移足以累积起来。研究人员最后推算出，土星环表面的尘埃可能只经过了数亿年的累积，即土星环的年龄仅为几亿年，它刚形成时，可能恐龙还在地球上存活。
此外，研究人员还预测，土星环最多只会再维持几亿年。行星际的尘埃颗粒不仅会污染土星环，它们的撞击还会导致环物质向内漂移，并最终坠入行星。根据卡西尼号的观测数据，研究人员估计土星环会以每秒数吨的惊人速度失去质量，这意味着土星环的剩余寿命只有几亿年左右。可以推测，太阳系中其他行星周围相对微弱的环，可能也是像土星一样，曾经也有着巨大的光环，如今仅残余少量的物质。也许在将来，土星的光环会被逐渐磨掉，它们看起来会像如今天王星的光环一样，呈现出稀疏的样子。
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