時(shí)隔11年，科學(xué)家再次聽(tīng)到超大黑洞“心跳”

丁佳

想聽(tīng)到一次黑洞的“心跳”有多難？如果你足夠幸運(yùn)的話，可能需要11年。十幾年前，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了來(lái)自一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的X射線準(zhǔn)周期震蕩信號(hào)——黑洞的“心跳”。十幾年后，當(dāng)天文學(xué)家再次有機(jī)會(huì)觀測(cè)這個(gè)黑洞時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)信號(hào)仍在持續(xù)。這項(xiàng)研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員金馳川主導(dǎo)，與英國(guó)杜倫大學(xué)等的研究人員合作完成，于6月10日發(fā)表在《英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。

“這個(gè)心跳信號(hào)非常美妙！它首次證明來(lái)自超大質(zhì)量黑洞的這類周期性信號(hào)可以長(zhǎng)期保持穩(wěn)定?！苯瘃Y川認(rèn)為，這種周期性的信號(hào)攜帶了關(guān)于黑洞視界附近的物質(zhì)尺度和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息，它能夠?yàn)槿藗兲峁┥钊胙芯科湮锢頇C(jī)制和起源的重要線索和絕佳機(jī)會(huì)。

這個(gè)特殊的黑洞是一個(gè)距離地球6億光年、具有200萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。2007年，科學(xué)家利用歐洲宇航局的衛(wèi)星，首次發(fā)現(xiàn)這個(gè)黑洞的X射線輻射具有一小時(shí)左右的周期性震蕩信號(hào)。可這之后，由于該黑洞的視線方向離太陽(yáng)太近，人們對(duì)其“心跳”的監(jiān)測(cè)也停止了。

直到2018年，科學(xué)家們?cè)俅斡袡C(jī)會(huì)對(duì)這個(gè)黑洞開(kāi)展觀測(cè)。金馳川團(tuán)隊(duì)向歐洲宇航局和美國(guó)宇航局申請(qǐng)使用XMM—牛頓衛(wèi)星、“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”衛(wèi)星和“雨燕”衛(wèi)星，對(duì)這個(gè)黑洞開(kāi)展了聯(lián)合觀測(cè)，并于同年10月順利完成了所有觀測(cè)任務(wù)。

“經(jīng)過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，我們最終確認(rèn)，它的X射線震蕩信號(hào)仍然存在，并且比10年前更強(qiáng)了?！苯瘃Y川說(shuō)，“這是目前觀測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞‘心跳信號(hào)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。”

盡管在宇宙中存在著大量具有百萬(wàn)甚至上億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，但要捕捉它們的“心跳”卻并不容易。飄浮在星際空間中的物質(zhì)會(huì)被黑洞的引力所俘獲，在逐漸落入黑洞的過(guò)程中，會(huì)形成一個(gè)圓盤(pán)狀的結(jié)構(gòu)，并在黑洞周?chē)苄〉目臻g里釋放大量的能量，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的高能輻射，比如X射線。

但是，這種高能輻射的周期性重復(fù)信號(hào)卻極少被發(fā)現(xiàn)。除此之外，目前已知的唯一一個(gè)能夠產(chǎn)生類似心跳信號(hào)的黑洞，是一個(gè)位于銀河系旋臂內(nèi)的小黑洞。它的質(zhì)量?jī)H為12個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，正快速地從其旁邊的一顆恒星吸收物質(zhì)，并以67赫茲左右的“心率”產(chǎn)生X射線心跳信號(hào)。

論文合作者之一、杜倫大學(xué)教授Chris Done說(shuō)：“我們目前的理解是，這種心跳信號(hào)源自黑洞視界附近高溫物質(zhì)的周期性結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。通過(guò)與此前那個(gè)小黑洞的對(duì)比，我們證明雖然不同類型的黑洞質(zhì)量差別可達(dá)數(shù)十萬(wàn)倍以上，但它們?cè)谝恍┨厥庑袨榈谋憩F(xiàn)方面卻非常類似?！?/p>

目前，該研究團(tuán)隊(duì)正對(duì)多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以期對(duì)該“心跳”信號(hào)的性質(zhì)有更多了解，并與銀河系內(nèi)的小質(zhì)量黑洞作對(duì)比，從而獲得對(duì)黑洞視界附近的物理過(guò)程的更深刻理解。金馳川認(rèn)為，這個(gè)黑洞可以成為中國(guó)下一代X射線天文衛(wèi)星，比如愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星和eXTP衛(wèi)星的重要觀測(cè)目標(biāo)之一。