科學(xué)家們在一個(gè)積極“進(jìn)食”的超大質(zhì)量黑洞中觀察到的光閃與其質(zhì)量有著非常密切的關(guān)系，這意味著黑洞質(zhì)量的大小由它的進(jìn)食模式揭示。

由伊利諾伊大學(xué)厄經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)巴納-香檳分校的天文學(xué)研究生科林·伯克和沈悅教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)吸積盤發(fā)出閃爍的光可以顯示其中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。

后來(lái)，在8月12日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇文章，稱他們?cè)谝粋€(gè)積極“進(jìn)食”的超大質(zhì)量黑洞中觀察到的亮度閃爍與其質(zhì)量有著非常密切的關(guān)系。

這些發(fā)現(xiàn)為使用光學(xué)觀測(cè)描述超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量提供了一種新方法，并有助于限制在吸積盤中發(fā)生未知過(guò)程的情況。

超大質(zhì)量黑洞

超大質(zhì)量黑洞是一種質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量的100萬(wàn)到100億倍之間的黑洞。

在宇宙中的大多數(shù)星系中，也包括在我們居住的銀河系中心里，都隱藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

超大質(zhì)量黑洞最明顯的形成方式是用緩慢吸積的方式來(lái)形成的。在黑洞的周圍有一個(gè)由氣體、星塵和等離子體組成的盤狀結(jié)構(gòu)，也就是吸積盤。

在早期宇宙中，當(dāng)物質(zhì)在受到黑洞強(qiáng)大引力的作用時(shí)，會(huì)在其周圍形成吸積螺旋并下降。

當(dāng)超大質(zhì)量黑洞在快速增長(zhǎng)的時(shí)候，它們會(huì)用超高的速度去積極吸積物質(zhì)。

當(dāng)吸積盤中的物質(zhì)在向黑洞下落的時(shí)候，吸積盤中的氣體會(huì)因?yàn)檎承远鴾p速并達(dá)到高溫，從而散發(fā)出大量的輻射，其實(shí)還包括可見光、紫外線以及X射線。

盡管這些吸積盤跟它們的宿主星系比起來(lái)要小得多，但它們卻通?？梢哉樟琳麄€(gè)星系的其他部分。

不過(guò)這些吸積盤的光線并不是恒定不變的。由于物理過(guò)程的不明確，光會(huì)在幾個(gè)小時(shí)到幾十年的時(shí)間尺度上都顯示出閃爍變化。

因此，天文學(xué)家一般通過(guò)探測(cè)黑洞周圍吸積盤發(fā)出的強(qiáng)烈輻射和熱量來(lái)推斷這些黑洞的存在。

黑洞質(zhì)量與什么有關(guān)？

研究員科林·伯克說(shuō)：“黑洞質(zhì)量是黑洞中最重要的物理量。所以了解黑洞的質(zhì)量對(duì)于其他的研究就顯得非常重要了，例如說(shuō)黑洞的形成以及黑洞對(duì)宿主星系的影響?！?/p>

雖然天文學(xué)家有一些可以間接獲得黑洞的質(zhì)量的方法，但這些方法都有一些局限性。

據(jù)觀察，黑洞在類別上也存在著一定的差距。一些從恒星坍塌的黑洞質(zhì)量最多約為太陽(yáng)質(zhì)量的10倍。

而一些超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量卻是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億倍，即使是最小的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量也有數(shù)十萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量了，它們通常存在于大質(zhì)量星系的中心。

有人認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與其宿主星系的形狀有關(guān)，這意味著星系球體的質(zhì)量與超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有關(guān)。

也有些人認(rèn)為黑洞的質(zhì)量與星系的色散速度有著更密切的關(guān)系，但不過(guò)這一說(shuō)法現(xiàn)在還處在研究階段。

驗(yàn)證過(guò)程

該研究的主要作者伯克說(shuō)：“目前已經(jīng)有許多研究探討了觀察到的閃爍與超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量之間的可能關(guān)系，但結(jié)果還存在爭(zhēng)議，有著一些的不確定?！?/p>

為了證明這一推測(cè)，作者測(cè)量了經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察的活動(dòng)星系中67個(gè)超大質(zhì)量黑洞的輻射光通量的變化，用來(lái)確定亮度波動(dòng)明顯變小的時(shí)間尺度問(wèn)題，也就是所謂的“阻尼”時(shí)間尺度，這個(gè)尺度通常有幾百天。

他們發(fā)現(xiàn)，在活動(dòng)星系中觀測(cè)到的整個(gè)超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量范圍內(nèi)，這種阻尼時(shí)間尺度與大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有很大的相關(guān)性，甚至可能延伸到其他天體周圍較小的吸積盤上。

隨后研究人員還把這個(gè)結(jié)果與吸積的白矮星進(jìn)行了比較，結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)在白矮星上也具有相同的時(shí)間尺度和質(zhì)量的關(guān)系。

這一發(fā)現(xiàn)還為科學(xué)家們提供了一種利用光學(xué)觀測(cè)來(lái)了解超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量的新方法，而且該技術(shù)不僅適用于黑洞，也適用于像白矮星這樣小而密的物體。

研究員沈悅說(shuō)：“這些結(jié)果表明，無(wú)論他中心是超大質(zhì)量黑洞還是較輕的白矮星，他們?cè)谖e過(guò)程中的光閃都是常見的。”

伯克和他的同事也說(shuō)，根據(jù)吸積盤的光學(xué)可變性測(cè)量的時(shí)間尺度與其周圍超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有關(guān)。

當(dāng)然天文學(xué)家還可以把這種變異性作為時(shí)間尺度的函數(shù)來(lái)量化閃變模式。

結(jié)論及未來(lái)規(guī)劃

伯克在“進(jìn)食”中收集了大量關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)，并帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)分析了閃爍變化的模式，以確定一個(gè)特征時(shí)間的尺度，這也使得他們能將閃爍模式與超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量等同起來(lái)。

天文學(xué)家探測(cè)它們的唯一方法是通過(guò)它們對(duì)附近恒星和氣體的引力影響。

當(dāng)它們?cè)诓弧俺浴敝車臍怏w和恒星并處于休眠狀態(tài)的時(shí)候，通常他們都不會(huì)發(fā)出多少光；

然而，當(dāng)它們?cè)诨钴S“進(jìn)食”的時(shí)候，它們會(huì)產(chǎn)生一種可以持續(xù)數(shù)小時(shí)或數(shù)十年閃爍的光，我們也可以從整個(gè)宇宙中檢測(cè)到這種模式。

因此，該團(tuán)隊(duì)的研究人員表示，閃爍的光是黑洞在“吃”的過(guò)程中的隨機(jī)波動(dòng)。當(dāng)然天文學(xué)家也可以通過(guò)測(cè)量作為時(shí)間尺度函數(shù)可變性的力去量化這種閃爍模式。

對(duì)于吸積的超大質(zhì)量黑洞來(lái)說(shuō)，光的變化模式從短時(shí)間尺度變?yōu)殚L(zhǎng)時(shí)間尺度的時(shí)候，這種模式轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)特征時(shí)間尺度上，當(dāng)然對(duì)于質(zhì)量較大的黑洞來(lái)說(shuō)，他的時(shí)間尺度也會(huì)更長(zhǎng)一些。

伯克說(shuō)：“既然閃爍模式和中央吸積物的質(zhì)量之間存在著相關(guān)性，那我們也許可以用它去預(yù)測(cè)中等質(zhì)量黑洞的閃爍信號(hào)?！?/p>

現(xiàn)在世界各地的天文學(xué)家都在等待大規(guī)模觀測(cè)時(shí)代的開始。智利時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目的VeraC.Rubin天文臺(tái)將在2023年底開始進(jìn)行為期十年的太空探索，并收集數(shù)十億個(gè)物體閃爍的數(shù)據(jù)。

劉欣研究員說(shuō)：“尋找與不斷擴(kuò)大的超大質(zhì)量黑洞相一致的閃爍模式，通過(guò)挖掘LSST的數(shù)據(jù)集，有可能幫助人類發(fā)現(xiàn)和了解這群神秘的黑洞?！?/p>