文|造就

天文学家斯蒂芬妮·拉马萨（Stephanie LaMassa）一开始大惑不解，后来才终于顿悟。她盯着电脑屏幕上的两张图像，它们都是关于同一个天体，然而却完全不同。

第一张图像是由斯隆数字化巡天（SDSS）望远镜在2000年拍摄到的，它看上去像是一个典型的类星体：那是一个极端明亮和遥远的天体，它的动力来自星系中心的饥饿超大质量黑洞；它是蓝色的，这意味着它发出的光线峰宽很宽。但是，在2010年观测获得的第二张图像中，它的亮度只有之前的十分之一，并且没有表现出相同的峰宽。

那个类星体似乎消失了，只留下一个星系在那里。

拉马萨当时心想，那是不可能的。尽管类星体确实会熄灭，演化成单纯的星系，但那个过程需要1万年或更长的时间。而这个类星体似乎不到十年就消失了，在宇宙尺度中，十年只相当于一眨眼。

任职于空间望远镜研究所（STScI）的拉马萨对此百思不得其解。在2014年做出这项发现之前，她和其他很多人一样都认为类星体是相对稳定的。“然后，你在有生之年就目睹了这些巨大的变化，真是太酷了。”拉马萨说道。

天文学家的困惑变成了兴奋，由此开始搜寻更多这类奇怪现象。尽管天文学家此前观测到过不那么明亮的类星体，但他们想知道拉马萨看到的这种巨大变化是否常见。这不是一项简单的任务，因为巡天望远镜往往不会再回过头去观测之前已经观测过的天体。不过，天文学家检索了档案数据，并发现了50-100个所谓的“变脸类星体”（changing-look quasars）。其中一些比拉马萨发现的那个暗淡许多，还有一些在一两个月的时间里发生了变化，甚至有一些在消失之后再次出现。

“显然，我们以前没有发现这些天体，是因为我们没有寻找过它们，”来自伊利诺伊大学（University of Illinois）的天文学家埃里克·摩根森（Eric Morganson）说道。

但是，类星体是太空中的超明亮“灯塔”，由质量相当于数百万个太阳的黑洞吸积规模可跟太阳系匹敌的气体和尘埃环带形成,如此巨大的天体怎么会如此迅速地熄灭呢？起初，天文学家拒绝相信类星体可以做到这一点，他们认为那些天体根本不是类星体，而是伪装成类星体的超新星或闪烁的恒星。又或者，我们的视线暂时被尘埃云遮挡住了。

不过，这些想法在很大程度上跟天文学家的观测结果并不相符。在过去的一年中，一些观测任务更加密切地关注了那些天体系统，最终得到的详细结果表明吸积盘似乎在闪烁——吸积盘是围绕着黑洞的炙热物质环带，类星体之所以如此明亮正是得益于它们。与此同时，理论天体物理学家为解释这种现象的发生机制提出了种种猜想。“这整个系统，如此庞大的系统，正在如此迅速地发生变化，实在有点疯狂。”摩根森说道。

黑洞二重身

在过去的四年中，天文学家一直试图用尽可能简单的理论来理解变脸类星体。首先，这意味着他们要找到不需要吸积盘发生彻底变化的场景。

要理解其中的原因，我们不妨考虑一下这些天体系统的大小。如果我们可以在太阳系的上面放置一个类星体，那么超大质量黑洞将会吞噬太阳；与此同时，黑洞的吸积盘将会向外延伸，半径将是地球到太阳距离的数万倍。要让这样的类星体熄灭，那么所有这些物质都必须向内旋转着坠入黑洞——根据天文学家的计算乃至实际观测，这个过程应该耗时数万到数十万年之久。

“吸积过程不可能像我们观测到的那样迅速停止,”哈佛-史密森尼天体物理学中心（CfA）的天体物理学家保罗·格林（Paul Green）说，“这在物理学上根本讲不通。”

所以，天文学家考虑了其他可能性。当拉马萨一开始在2014年取得这项惊人发现时，她假定有一团巨大的尘埃云飘到了类星体的明亮灯塔前，暂时性地阻挡了它的光线。但当她和同事试图对这种场景进行建模时，他们发现只有在存在多团尘埃云的高度复杂情形下才能重现观测结果。出现那种情形的可能性实在太小了。此外，任何变化都不是几年时间就能完成的。

斯蒂芬妮·拉马萨现在任职于空间望远镜研究所，她在2014年首次发现了变脸类星体。自那以后，天文学家又发现了数十个这样的天体。

其他天文学家则想到，那些天体或许根本不是类星体。

2015年，德国马克斯-普朗克地外物理研究所（MPE）的安德里亚·默洛尼（Andrea Merloni）提出，或许拉马萨发现的天体其实是一颗恒星，它过于靠近黑洞，以至于被撕裂开来，形成了明亮的耀斑。类似地，还有一些人认为，那个所谓的类星体实际上是能量强大的超新星。

在这两种可能性中，天体的亮度都会超过其所在的宿主星系，这跟类星体的情况类似；而且天体甚至可能发出波长跟类星体相似的光线。再有就是，来自这类天文事件的光线会在几个月到几年的时间里消失，从而跟变脸类星体发生变化的时间尺度相吻合。但问题在于，那些光线的减弱必定带有一种独有的特征，而这是天文学家未能观测到的。

因此，近来研究人员又把视线重新投向类星体，他们得到了几项新研究的助力，这些研究对吸积盘的物质环带进行了探索。

2017年，来自中国科技大学的天文学家盛振峰及其同事用可见光和红外光对多个类星体进行了检验。这两种波段让该团队不仅得以观测每个类星体的吸积盘，更看到了吸积盘的环面（即围绕着吸积盘的尘埃云圆环，形似甜甜圈）。

那很重要，因为发光的吸积盘会把可见光发送到黑暗的环面，光线会在那里被吸收并以红外光的形式被重新发射出来。因此，吸积盘中的任何变化之后都会在环面中引起“回响”。盛振峰及其同事正是观测到了这样的“回响”（其他一些研究也有相同的发现），他们由此得出结论：这必然是流经吸积盘的物质数量发生变化的标志。

这种改头换面的变化是如何发生的，这仍然存在争议，但天文学家近来提出了多种假说。

吃了一半的自助餐

情况有可能是，要让类星体熄灭，吸积盘中的物质不一定需要被清除干净。理解这一点的一种方法是把吸积盘分解成不同的组成部分：明亮的内部区域，以及被内部区域照亮的暗淡外部区域。这样一来，如果黑洞吞噬了内部区域的物质（这个过程可能耗时仅仅几个月），那么吸积盘的内层就会消失，没有明亮的内层“灯塔”，吸积盘的外层也会暗淡下来，这就像太阳的死亡会导致月亮不再发光一样。

“我们把这些想成是饥肠辘辘的家伙去吃自助餐，”摩根森说，“如果它们面前拥有无限量的食物，它们只会尽可能快地进食，然后保持相对稳定的速度。然而我们却反而发现，当食物还在那里的时候，它们就停下来休息了。”

或者，情况还有可能是吸积盘的形状发生了改变。这听起来很疯狂，但今年天文学家对两个不同的类星体进行了研究，并且发现了为这一基于另一种“回响”的理论提供支持的证据。在两个类星体中，首先消失的是紫外线和蓝色光线，然后是绿色光线，最后是红色光线，这个序列遵循的是从光谱的最高能量到最低能量。因此，它看上去就像从吸积盘内层传递到外层的波动变化。“某些东西导致吸积盘从内到外变暗了，”美国自然历史博物馆（AMNH）的天体物理学家巴里·麦克尔南（Barry McKernan）说道。

由于有色光线没有完全消失，研究人员并不认为吸积盘内层完全被黑洞吞噬掉了。相反，他们认为一道来自超大质量黑洞的冷锋以惊人的速度横扫而过。例如，在绿光消失短短一年后，红光的亮度就开始减弱。

麦克尔南指出，那个速度很重要，因为它可以揭示有关吸积盘结构的线索。如果吸积盘是粘稠和狂乱的，那么通过它发送信息会相当容易（联想一下声音在水中比在空气中传播得更快）。麦克尔南据此认为，吸积盘必定是粘稠的，因而它相当蓬松——外观像是一个甜甜圈，而不是一张DVD碟片——在冷锋扫过时它会坍缩成薄薄的碟片。

不过，另一种假说认为情况恰恰相反：吸积盘一开始是薄薄的，之后会发生膨胀。天文学家认为，这正是恒星质量黑洞（它们可以说是超大质量黑洞的小老弟）变得不再活跃时会发生的事情。当这些黑洞吸积了大量物质时，它们的吸积盘很薄也很明亮。但当吸积速率减缓时，吸积盘就会膨胀成准球形结构，并且难以发出光线。

一个变脸类星体在短短几年内从明亮（上）变得暗淡。

来自日本东北大学（Tohoku University）的野田博文（Hirofumi Noda）以及来自英格兰杜伦大学（Durham University）的克里斯·多恩（Chris Done）想知道，这样的膨胀是否也会造成类星体的“变脸”。所以，在今年，他们把自己的模型应用于围绕超大质量黑洞的吸积盘，而这些模型原本是用来模拟围绕恒星质量黑洞的吸积盘。他们发现，这种变化可能发生在类星体的吸积盘中，而且速度很快（尽管没有数十年那么快）。

天文学家还无法判断超大质量黑洞是否“断了粮”，吸积盘本身是否发生了形状变化，或者是否存在一种完全不同的机制在发挥作用。目前，天文学家还不清楚吸积盘中的气体如何从大半径轨道转移到黑洞附近的轨道，以及它们最终是如何坠入黑洞的。而且，包括磁场在内的其他因素也有可能在其中扮演着天文学家尚不了解的重要角色。“我们的想象力在这里遭遇了失败。”耶鲁大学（Yale University）的天体物理学家梅格·厄里（Meg Urry）说道。

“谋杀-自杀契约”

虽然细节仍然模糊不清，但更好地了解气体和尘埃如何坠入黑洞，这不仅能满足我们纯粹的好奇心，更将有助于解释星系是如何演变的。

近20年前，天文学家发现超大质量黑洞的质量跟整个星系的质量紧密相关。事实上，黑洞阻断了星系的增长，导致它的规模要比模型预测值小了10-100倍。“跟整个星系相比，黑洞引力的影响范围很小，”麦吉尔大学（McGill University）的天体物理学家约翰·阮（John Ruan）说，“那么，为什么两者之间存在如此密切的联系呢？”

当天文学家第一次发现这种相关性时，上述问题的答案还是一个谜，但他们现在怀疑类星体会对宿主星系造成严重破坏，而且会带来令人惊讶的深远影响。类星体刮起的强风会把尘埃和气体吹到星系以外；它的极端亮度也会把剩余的气体加热到极高的温度，令新的恒星无法成形。德雷塞尔大学（Drexel University）的物理学家戈登·理查兹（Gordon Richards）表示，类星体用“一份谋杀-自杀契约”让自身以及宿主星系都处在“忍饥挨饿”的状态。

至少，这是天文学家目前的想法。要确定其中的细节非常困难，因为天文学家无法同时对遥远的类星体和它所处的星系进行观测——类星体太过明亮了。然而，如果天文学家可以进行宇宙尺度的实验，他们会先研究一个类星体，然后关闭开关使其变暗。约翰·阮说，变脸类星体正是这样的实验，它为我们提供了前所未有的机会，可以更好地去了解类星体带来的深远影响。

但要真正掌握这种关系，天文学家将需要数量众多的变脸类星体样本。为了找到它们，天文学家将不得不一次又一次地回过头来观测之前已经观测过的类星体和星系，以找出变化。从2017年开始，位于加州的兹威基瞬变设施（ZTF）一直在进行巡天观测，它每年会对同一天体进行近300次的回顾。不久之后，还会有更多的设施上线。例如，计划于2022年投入使用的大型综合巡天望远镜（LSST）每晚将以五种颜色拍摄整个天空。“我们将拥有一部全天的彩色电影，并从中发现数百万个像这样令人着迷的古怪天体，”格林说。

对于未来的运气如何，麦克尔南保持中立的态度。在乐观的时候，他设想那些巡天计划有可能帮助天文学家交上好运。“如果我们在正确的时间处于正确的地点，在这些事件发生时观测到它们，并利用多种仪器进行跟踪，我们就有可能取得突破，”他说，“那可能成为我们的罗塞塔石碑。”虽然那仍然需要一点运气，但这样的观测可能有助于我们描述未来的银河系。

毕竟，再过大约50亿年，我们所在的银河系将跟仙女座星系发生碰撞，届时可能会诞生又一个类星体，让我们的夜空陷入混乱。但如果我们能够更好地理解类星体的神秘消失行为，我们将能对未来的细节做出更清晰的预测。

翻译 | 何无鱼；校对 | Lily

来源 | wired