我科学家观测到超大质量黑洞的“心跳”——X射线准周期震荡信号

来源:光明日报 2020-06-15 10:46:47

从中国科学院国家天文台获悉,该研究所科研人员与英国合作者共同再次观测到了来自一个超大质量黑洞的“心跳”——X射线准周期震荡信号。这种信号的周期携带了关于黑洞视界附近的物质尺度和结构的关键信息,新发现或将让我们对黑洞这一特殊的天体有更深刻的理解。

宇宙中存在大量具有百万至上亿个太阳质量的黑洞。漂浮在星际空间中的物质会被黑洞的引力所俘获,在逐渐落入黑洞的过程中,会形成一个圆盘状的结构,并在黑洞周围很小的空间里释放大量的能量,从而产生很强的高能辐射,例如X射线。周期性重复的高能辐射信号被称为黑洞的“心跳”,但在科学家的观测中,黑洞的“心跳”极少被发现。

2007年,科学家们首次发现被命名为RE J1034+396的黑洞,其X射线辐射具有一小时左右的周期性震荡信号。这个黑洞距离地球6亿光年,是具有两百万个太阳质量的超大质量黑洞。2011年以后,由于该黑洞的视线方向离太阳太近,对其“心跳”信号的监测也停止了。

2018年,中国科学院国家天文台金驰川研究员领衔的研究团队利用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列(NuSTAR)”卫星和“雨燕(Swift)”卫星,对RE J1034+396开展联合观测,并最终确认它的“心跳”不仅仍然存在,而且比10年前更强了。这是目前观测到的超大质量黑洞“心跳”信号的最长持续时间。

研究人员介绍,目前已知唯一一个能够产生类似“心跳”信号的黑洞,是一个位于银河系旋臂内、被称为GRS 1915+105的小黑洞。该黑洞的质量是12个太阳质量,正快速地从其旁边的一颗恒星吸收物质,并以67赫兹左右的“心率”产生X射线“心跳”信号。

通过简单的质量对比,科学家们估算了RE J1034+396的理论“心率”,发现和实测“心率”很一致。论文的合作者之一,来自英国杜伦大学的克里斯·东尼教授说:“我们目前的理解是这种‘心跳’信号源自黑洞视界附近高温物质的周期性结构变化过程。通过与GRS 1915+105这个小黑洞的对比,证明了虽然不同类型的黑洞质量差别可达数十万倍以上,但他们在一些特殊行为的表现方面却非常类似。”

论文第一作者兼通讯作者金驰川研究员表示:“这个‘心跳’信号首次证明来自超大质量黑洞的这类周期性信号可以长期保持稳定,并为我们提供了深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。RE J1034+396也可以成为我国下一代X射线天文卫星,例如爱因斯坦探针(EP)卫星和加强型X射线时变与偏振空间天文台卫星(eXTP)的重要观测目标之一。”该研究团队目前正对多颗卫星的数据进行深入分析,以期对该“心跳”信号的性质有更多了解,并与银河系内的小质量黑洞作对比,从而获得对黑洞视界附近的物理过程的更深刻理解。(记者齐芳)

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