SDSS如何利用光来研究宇宙中最暗的天体

 黑洞是非常迷人的天体。黑洞的引力如此之强，以至于连光——宇宙中最快的东西——也无法逃脱它的束缚。过去，人们认为黑洞只是些有着极端性质的特例。而今，我们知道黑洞在星系的形成和演化中起着至关重要的作用，包括我们的银河系。

但是如果我们没法看到黑洞，我们如何知道它们的存在呢？其实虽然我们无法直接看到黑洞，我们却可以观测到气体、尘埃和恒星落入黑洞时所发出的光和能量，也就是说我们可以在黑洞“吞噬”物质的时候看到它们。位于星系中心的那些超大质量黑洞的质量可以达到10亿个太阳质量，当某个超大质量黑洞开始饕餮时，其过程是如此明亮，以至于数百亿光年之外也可以看见。天文学家把所观测到的这类过程称为活动星系核，而其中那些最为极端的例子被称为“类星体”。这听起来挺让人惊讶的，本身完全不发光的天体竟然可以催生出宇宙中已知最明亮的现象。

类星体的艺术描绘。由Coleman Krawczyk (ICG Portsmouth)制作。  

类星体的光并不是黑洞本身发出的，而是来自于正在落入黑洞中的物质，主要是气体。位于黑洞外不同距离的物质会产生不同类型的光。最靠近黑洞表面（或者说视界）的气体异常灼热，会发出X射线。从黑洞表面向外，气体会形成一个类似于太阳系大小的气体盘。盘的内侧靠近黑洞的部分旋转得比外侧要快，使得盘内的气体不断互相摩擦。这样的摩擦使得气体变热而发光，产生可见光到紫外波段的光。

从气体盘外缘到大约3光年远的地方（类似于太阳到最邻近的恒星的距离），温度逐渐变低，由碳和硅组成的“星际尘埃”颗粒得以形成。这些尘埃云形成一个围绕在气体盘外的“尘埃环”。来自气体盘的部分光会被尘埃吸收，然后再以波长更长的红外光的形式辐射出来。在距离黑洞很远的地方，一些类星体在沿着极轴方向有射电喷流。顾名思义，这些喷流会产生射电波段的光，这是由被强磁场加速的电子所产生的。这些喷流的尺寸可以达到30万光年（约3倍于银河系的直径！）。

这样看来，黑洞及其周围真的一点儿也不“黑”。黑洞周围所产生的光可以覆盖从射电波直到X射线的所有波段，其发光的范围可以从地球轨道大小直到超过整个银河系。

在最早期的图像巡天阶段，SDSS就已把类星体研究推进到了大爆炸后的10亿年之内，展示了早期黑洞的快速成长并勘察了宇宙重电离时期的尾声。

从SDSS中的46000颗类星体数据所得到的叠加光谱。每一条类星体光谱都被转制为一条横线，然后从下到上按类星体的距离由近至远来排列叠加。制作：X. Fan and the Sloan Digital Sky Survey。

SDSS的完整的类星体样本比早先的类星体样本要大数百倍，从而可以精确地告诉我们黑洞在整个宇宙历史长河中是如何成长演化的。SDSS的光谱显示，从早期宇宙至今，类星体的性质变化其实非常小。

已知的类星体数目随着时间的变化，实线来自于最大的单一类星体目录，虚线来自于混杂的类星体目录。SDSS的类星体目录从2000年开始创建。Fig. 1 from Richards et al. (2009).

SDSS的研究已通过对成团性的研究探测了黑洞周围的暗物质环境，揭示了不同种类的类星体，捕捉到了气体移动所造成的类星体光谱的变化，并使得我们可以对现今星系中的较为暗弱的吸积黑洞（活动星系核）做一个全面的普查。

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这是SDSS为2015国际光之年所发布的文章之一，由Coleman Krawcyzk（ICG Portsmouth），Nic Ross（ROE）和Karen Masters（ICG Portsmouth）共同完成。Qingqing Mao（Vanderbilt）翻译。

原文链接：http://blog./2015/01/30/how-sdss-uses-light-to-study-the-darkest-objects-in-the-universe/