時隔11年，科學家再次聽到超大黑洞“心跳”

丁佳

想聽到一次黑洞的“心跳”有多難？如果你足夠幸運的話，可能需要11年。十幾年前，天文學家首次發(fā)現(xiàn)了來自一個超大質(zhì)量黑洞的X射線準周期震蕩信號——黑洞的“心跳”。十幾年后，當天文學家再次有機會觀測這個黑洞時，發(fā)現(xiàn)這個信號仍在持續(xù)。這項研究由中國科學院國家天文臺研究員金馳川主導，與英國杜倫大學等的研究人員合作完成，于6月10日發(fā)表在《英國皇家天文學會月刊》上。

“這個心跳信號非常美妙！它首次證明來自超大質(zhì)量黑洞的這類周期性信號可以長期保持穩(wěn)定。”金馳川認為，這種周期性的信號攜帶了關(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，它能夠為人們提供深入研究其物理機制和起源的重要線索和絕佳機會。

這個特殊的黑洞是一個距離地球6億光年、具有200萬個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。2007年，科學家利用歐洲宇航局的衛(wèi)星，首次發(fā)現(xiàn)這個黑洞的X射線輻射具有一小時左右的周期性震蕩信號。可這之后，由于該黑洞的視線方向離太陽太近，人們對其“心跳”的監(jiān)測也停止了。

直到2018年，科學家們再次有機會對這個黑洞開展觀測。金馳川團隊向歐洲宇航局和美國宇航局申請使用XMM—牛頓衛(wèi)星、“核光譜望遠鏡陣列”衛(wèi)星和“雨燕”衛(wèi)星，對這個黑洞開展了聯(lián)合觀測，并于同年10月順利完成了所有觀測任務(wù)。

“經(jīng)過詳細的數(shù)據(jù)分析，我們最終確認，它的X射線震蕩信號仍然存在，并且比10年前更強了。”金馳川說，“這是目前觀測到的超大質(zhì)量黑洞‘心跳信號的最長持續(xù)時間。”

盡管在宇宙中存在著大量具有百萬甚至上億個太陽質(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)會被黑洞的引力所俘獲，在逐漸落入黑洞的過程中，會形成一個圓盤狀的結(jié)構(gòu)，并在黑洞周圍很小的空間里釋放大量的能量，從而產(chǎn)生很強的高能輻射，比如X射線。

但是，這種高能輻射的周期性重復信號卻極少被發(fā)現(xiàn)。除此之外，目前已知的唯一一個能夠產(chǎn)生類似心跳信號的黑洞，是一個位于銀河系旋臂內(nèi)的小黑洞。它的質(zhì)量僅為12個太陽質(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。

論文合作者之一、杜倫大學教授Chris Done說：“我們目前的理解是，這種心跳信號源自黑洞視界附近高溫物質(zhì)的周期性結(jié)構(gòu)變化過程。通過與此前那個小黑洞的對比，我們證明雖然不同類型的黑洞質(zhì)量差別可達數(shù)十萬倍以上，但它們在一些特殊行為的表現(xiàn)方面卻非常類似。”

目前，該研究團隊正對多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行深入分析，以期對該“心跳”信號的性質(zhì)有更多了解，并與銀河系內(nèi)的小質(zhì)量黑洞作對比，從而獲得對黑洞視界附近的物理過程的更深刻理解。金馳川認為，這個黑洞可以成為中國下一代X射線天文衛(wèi)星，比如愛因斯坦探針衛(wèi)星和eXTP衛(wèi)星的重要觀測目標之一。