近到可以看清的耀变体
在银河系内,一个黑洞的喷流几乎直指地球。过去只能以遥远光点呈现的天体现象,如今不仅能够被拍成图像,还能让我们在短短数小时内观察到它的变化
对话
近距离观察耀变体
贝尼托·马尔科特:几乎所有星系的中心,都有一个质量相当于太阳数百万至数十亿倍的黑洞,我们称之为超大质量黑洞。一般而言,这些天体会吸积周围物质,并将其中一部分以相对论性喷流的形式向外发射,也就是速度接近光速的喷流。
在宇宙中,每个星系、每个黑洞在空间里的朝向都是随机的。根据它们的朝向,以及我们从地球观察它们的角度,天文学家会使用不同的名称,例如类星体或耀变体。后者指的是我们恰好从超大质量黑洞的极轴方向望向它。喷流总是沿着极轴发射,因此,在这种情况下,喷流便朝向地球。所谓耀变体,便是从这个方向被我们观察到的超大质量黑洞系统。
这种几何关系的价值在于,与其他观测角度相比,我们能够看见天体更深处的区域,观察喷流最内侧的部分,以及黑洞附近物质的运动方式。从其他角度看,这些区域大多被围绕黑洞运行的尘埃和物质遮住了。
再看银河系。银河系中有成千上万个质量与大质量恒星相当的黑洞,其中许多与其他恒星相互绕转,就像地球围绕太阳运行。在这些系统中,黑洞通常从恒星吸积物质,并将其中一部分以类似的喷流向外抛出。
由于天体在空间中的朝向各不相同,人们早已预期,应当存在一种让我们沿着黑洞极轴观察、喷流正对着我们的系统。但直到 IRAS 18293-0941 出现之前,一直没有探测到。
它的研究价值与耀变体相似:我们可以观察黑洞附近的物质如何相互作用,又如何被向外抛出。此外,微耀变体的尺度约为耀变体的十亿分之一,一切变化也快得多。耀变体中需要数年才能发生的变化,在微耀变体中只需数小时。因此,我们能够实时研究这些系统的动态过程,而研究遥远的耀变体时无法做到这一点。
贝尼托·马尔科特:虽然我们已经知道数百个耀变体,但每个系统都有自己的特点。由于这些系统的尺度大得多,我们获得的往往只是某个时刻的一幅图像。它们演化的时间尺度比人类的观测时间长得多,因此,我们无法真正看见它们如何变化。
但在微耀变体中,我们可以观察整个系统如何在数小时或数天内演变。这为细致研究它的演化过程打开了一扇窗。此外,由于距离更近,我们能够以更高的分辨率成像,揭示一些细节。而在遥远的耀变体中,相同的细节可能因为过于暗弱,始终无法显现。
贝尼托·马尔科特:这个天体很早便已为人所知,却从未引起多少兴趣。当时,我们正在银河系内寻找可能由大质量恒星和黑洞组成的双星系统,希望找到能够将粒子加速到极高能量、使其运动速度接近光速的天体。
当我们开始发现它在不同波段都产生显著辐射,包括射电、X射线和伽马射线时,便意识到它可能是一个粒子加速源。观测还揭示了一颗被严重遮蔽的恒星,说明这个天体位于十分致密的环境中,可能是一个独特的系统,因此引起了我们的兴趣。
随后,我们探测到一股只能在一侧看见的喷流,便清楚地意识到,它的朝向接近地球方向。
喷流与分子云
贝尼托·马尔科特:喷流是一股极为强劲、方向高度集中的粒子流,以接近光速的速度前进。它的作用很像高压水枪,会把经过路径上的物质清开。
经过多年的持续活动,原本位于那片区域的物质被推向外围,形成我们如今看见的、内部较为空旷的泡状结构。
沿用高压水枪的比喻,只有当物质堆积起来,水流再也没有足够力量将其推开时,我们才会看见它能够推进的边界。在这个系统中,边界便是喷流与更致密云团相撞时形成的激波。
贝尼托·马尔科特:首先,我们想强调,亮点与伽马射线信号之间的联系尚未完全证实。已有证据支持这种联系,理论预测也表明,这样的信号很可能由热点产生。但我们还没有一幅具有决定性的图像,能够毫无歧义地确认这一点。
当我们在距离中心天体如此遥远的位置发现亮点时,只能通过精确测量喷流的方向,确认亮点与该系统之间的关系。将喷流和空腔的形态结合起来看,亮点由其他天体产生的可能性在统计上已经很低。除了喷流产生的激波,我们找不到其他解释,能够说明它为何会发光。沿着喷流的路径追踪,可以清楚看出,喷流正好撞击在那个位置。
第二层联系仍有待证实,不过可能性很高。通过分析喷流、分子云和亮点的性质,天文学家可以利用成熟的模型,预测物质如何运动,以及会产生什么辐射。将这些模型应用于我们的天体后,我们发现,模型预测该区域能够十分高效地加速粒子,可能正是所观测到的超高能粒子的来源。
这些预测与已经观测到的伽马射线辐射相符。不过,相关天文台所获得的图像分辨率很低,因此,我们无法像确认喷流与热点之间的联系那样,清楚地确认热点与伽马射线辐射之间的关系。
一个延续百年的问题
贝尼托·马尔科特:“很可能”指的是拍电子伏能量相关辐射与这个 IRAS 天体之间的联系。
借助扫描相应高能波段天空的天文台,例如高海拔宇宙线观测站(LHAASO)和高海拔水切伦科夫天文台(HAWC),我们知道那片区域存在相关辐射。它们探测到的辐射,只能由被加速到惊人能量的粒子产生,远远超出我们在地球上能够实现的水平。我们目前的理论模型也预测,在所观测到的喷流与分子云相互作用过程中,粒子可以被加速到这样的能量。
不过,如前面所说,揭示这些超高能粒子的图像分辨率太低,无法清楚判断辐射是否恰好来自热点所在的位置。只有在这些能量范围内获得更清晰的图像,我们才有足够把握宣布,两者之间的联系已被完全证实。遗憾的是,这需要目前尚不存在的新望远镜。
在那之前,我们更愿意谨慎地说,两者很可能有关,或者看起来存在这样的联系。
贝尼托·马尔科特:几十年来,人们一直预期,银河系中应当存在许多这样的源。我们缺少的,只是能够揭示它们的观测。原因可能在于,它们也处在类似的环境中,很难被发现。
如今的确认让我们知道,过去的预测很可能是对的。我们在这里,以及最近在其他少数双星系统中观察到的天体与周围介质之间的相互作用,证实了这些天体可能对银河系产生的影响。天文学家利用模拟预测星系中的恒星形成如何随时间演变时,也应当将这种影响考虑在内。
贝尼托·马尔科特:两者距离非常近,间距约为日地距离的三分之一,大致相当于水星与太阳之间的距离。
恒星风会将物质向各个方向吹出。在如此近的距离上,当这些物质经过黑洞附近时,会受到引力作用,被吸积到黑洞周围。这有些类似于太阳风中的粒子进入地球两极附近、形成极光的过程。
物质在黑洞附近运动时,速度接近光速,温度升至数百万度,并产生X射线,因此我们能够追踪它。但在落入黑洞之前,部分物质会被聚束,以喷流的形式向外抛出。在这个系统中,喷流物质因运动而产生射电辐射,也就是我们在图像中看见的信号。
由于轨道很小,黑洞始终能够从伴星获得持续流入的物质,因此,我们看见的喷流随时间保持着相当稳定的状态。
多种仪器,同一个系统
贝尼托·马尔科特:这是一个很好的例子,说明在天文学中,单次观测或单一方法很少能够提供全部信息。只有结合不同的方法与观测,我们才能充分利用数据,真正理解自己所看见的现象。
每种观测都揭示了系统的不同部分。光学望远镜发现了一颗光线受到严重吸收的恒星,说明一颗大质量恒星位于尘埃云内部或附近。通过追踪光的变化,光学观测还揭示了黑洞伴星的存在及其轨道周期。
X射线观测独立提供了黑洞存在的证据,并对它的吸积情况作出了限制。射电辐射揭示了喷流的存在,再次确认这个双星系统,并约束了喷流的朝向角度。
借助极高分辨率的射电图像,我们能够确认,它并非一个遥远的耀变体,只是在天空中恰好与那颗恒星处于相近方向。我们可以十分精确地测量射电源在天空中的位置,再与恒星的已知位置比较,发现两者相符。
结合射电与红外观测,我们还找到了热点,而伽马射线观测此前正是在同一位置报告了极高能粒子的存在。
贝尼托·马尔科特:这项研究表明,要在银河系中揭示这样的系统,并不是一件容易的事。这很可能也是此前始终未能找到它们的原因。我们希望,未来几年能够发现更多。
我们也希望,它能够成为解读耀变体的“罗塞塔石碑”。接下来,我们要与那些研究耀变体已有数十年的天文学家合作,看看通过这些系统,彼此能够学到什么,并尝试回答这个领域中一些长期悬而未决的问题。
结语
IRAS 18293-0941 在星表中静静躺了四十多年,隐藏在尘埃之后,等待有人向它提出恰当的问题。最终揭示其真实面貌的,并非一架望远镜,而是多种仪器的共同观测。每一种都看见了系统的一部分:一颗被尘埃遮蔽的恒星,一个吸积恒星风物质的黑洞,一股几乎直指地球的喷流,一个被清出的空腔,以及喷流撞上分子云时形成的亮点。
亮点与银河系中那些极高能粒子之间的联系,用马尔科特谨慎的措辞来说,仍然只是“很可能”。要确认这种联系,还需要尚未建成的望远镜。
但更大的转变已经发生。过去,在浩瀚宇宙距离之外,耀变体往往只是光点;如今,我们找到一个尺度更小的近邻,不仅能够拍下它的结构,还能跟上它变化的速度。如同罗塞塔石碑,它的价值在于,让同一信息的两个版本并排呈现:一个终于能够被读懂,另一个则已等待人们理解许久。
延伸阅读
1999年的预言
背景资料
银河系中应当存在小型耀变体的想法,早于此次发现。米拉贝尔(Mirabel)与罗德里格斯(Rodríguez)在1999年提出,当恒星级天体的喷流与我们的视线夹角小于约十度时,观测到的变化应当加快,亮度也会被显著放大。他们同时指出,这类天体将很难寻找,因为恰好朝向我们的喷流很少,而且信号会迅速衰减。
Mirabel, I. F., and Rodríguez, L. F. “Microquasars as Transient and Persistent Sources of Gamma Rays.” NASA/IPAC 河外星系数据库
从微类星体说起
早期研究
这篇综述向更广泛的读者介绍了微类星体:银河系中的恒星级黑洞,在较小尺度上重现了类星体中的许多现象。微耀变体的概念,正是建立在这一认识之上。
Mirabel, I. F., and Rodríguez, L. F. “Sources of Relativistic Jets in the Galaxy.” 《天文学与天体物理学年评》第37卷,1999年。 arXiv:astro-ph/9902062
寻找银河系中的拍电子伏粒子加速源
相关研究
银河系中的哪些天体能够将粒子加速到拍电子伏能量,近年来成为日益迫切的问题。LHAASO 合作组已报告来自六个微类星体的超高能伽马射线,其中五个的辐射超过100太电子伏,使这些系统成为有希望的候选源。这项研究探讨了可能产生这些辐射的机制。
Vecchiotti, V., et al. “Constraints on Hadronic Emission from Microquasars Detected by LHAASO.” 2026年。 arXiv:2606.29830
能量前沿的微类星体
相关研究
V4641 Sgr 是其中尤为引人注目的一个。LHAASO 测得的伽马射线能谱,在高达0.8拍电子伏的范围内仍未显现截断迹象。要理解 IRAS 18293-0941 在银河系最强大粒子加速源中可能处于什么位置,它提供了一个有价值的比较对象。
“Microquasar V4641 Sgr and Its Deep Investigation with LACT as a Super-PeVatron of Cosmic Rays.” 《Research》,2025年。 PMC12509212
本次对话所讨论的研究
原始研究
本次对话背后的论文讲述了,一颗被尘埃遮蔽、数十年前便被收入星表却长期受到忽视的恒星,如何被发现拥有一个黑洞伴星,而黑洞的喷流正朝向地球。团队最初怀疑它具有微耀变体的性质,是因为多年的巡天观测持续呈现出一个单侧射电结构,说明它是长期存在的特征,而非短暂爆发。
Martí, J., et al. “A Galactic microblazar as a potential accelerator of ultra-high-energy particles.” 《天文学与天体物理学》,2026年。 arXiv:2609.00990
关于科学家
贝尼托·马尔科特(Benito Marcote)博士是位于荷兰德温厄洛的欧洲甚长基线干涉测量联合研究所(JIVE)与荷兰射电天文研究所(ASTRON)的高级支持科学家,同时担任阿姆斯特丹大学安东·潘涅库克天文研究所的客座研究员。
他是一名观测射电天文学家,专长为甚长基线干涉测量(VLBI)。这项技术将横跨不同大陆的射电望远镜连接起来,以获得极高分辨率的图像。他的研究重点包括伽马射线双星、大质量X射线双星和恒星风碰撞双星等高能双星系统,也涉及伽马射线暴与快速射电暴。
2012年至2015年,他曾是 MAGIC 伽马射线望远镜合作组成员。他也为自己研究的天体系统绘制科学插图,包括本文中的 IRAS 18293-0941 艺术示意图。