与黑洞一起摇摆

舞曲的旋律响起时，大家会想到什么？灯光、音乐、舞池里尽情摇摆的人群？会有小伙伴由此联想到有东西随着黑洞一起摇摆吗？那我们先看看这段视频。

视频里像丝带一样的东西是什么呢？它为什么会随着黑洞摇摆？带着这个问题我们来看看什么是黑洞，教科书上说它是爱因斯坦广义相对论的预言，公众认为它是宇宙中吞噬一切的怪物，而今年的诺奖评委认为它十分重要，值得诺奖的认可。

我们今天故事的主角就是黑洞，但是不同于诺奖得主莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹发现的银河系中心的超大质量黑洞，它是质量轻五十万倍的小兄弟，一颗恒星级质量黑洞。大于20个太阳质量的恒星，在其生命终点时，核心会塌缩成为恒星级质量黑洞，银河系内可能存在上亿个这样的黑洞，但这些黑洞大多孤孤单单的存在着，没有恒星与之作伴。所以，它们只能吸积周围空间中的星际介质，而星际介质本身的密度又极低，因此这些黑洞的辐射就相当微弱，人们很难看到它们。

而少数黑洞由于有恒星与之作伴，形成双星系统，黑洞的强引力可以俘获来自伴星的物质。来自伴星充足的物质供给，可以使黑洞周围形成吸积盘，并产生喷流（见图1）。随着吸积物质引力势能的释放，这些黑洞可以发出明亮的辐射，我们也就有可能观测到它们。

图1. 黑洞双星示意图。黑洞吸积来自伴星的物质，形成吸积盘，并产生喷流（图源：G Pérez Díaz (IAC)）

结束上面这一段类似教科书上的介绍后，我们开始揭晓谜底了。这个像丝带一样的东西就是科学家想象中的喷流。那喷流又是什么？喷流是一种运动速度接近光速的高速物质流。

黑洞吞噬周围物质的过程中，也就是黑洞在吃东西的过程中，会对周围环境产生一些反馈，而喷流就是黑洞系统对周围环境产生显著反馈影响的一种主要手段。

那喷流为什么会摇摆呢？答案是因为黑洞在旋转。旋转的黑洞会拖曳了周围的弯曲时空，所以喷流就会随着黑洞摇摆。

现在，可能有小伙伴会问，这些都是科学家的想象，有证据吗？还真有！

慧眼卫星团队在上个月发布消息，他们发现了能量最高（200 千电子伏特以上）的低频准周期振荡现象，而产生这个现象的源头就是喷流。可能小伙伴们又疑惑了，什么是低频准周期振荡现象？为什么产生它的源头是喷流？

长话短说，低频准周期振荡现象就是“低频”＋“准周期”＋“振荡”＋“现象”：“低频”的意思就是说还有高频，“准周期”就是说它不是精确的周期性的，“振荡”就是说会出现高低起伏的变化，“现象”意味着是我们能够观测到的。

所以，低频准周期振荡（简称低频QPO）就是这样一类特殊的观测现象，它表现为一些黑洞双星的辐射强度会出现类似周期性的高低变化（见图2），而且这种变化却不是精确周期性的。这种变化的频率从几秒钟一次到1秒钟几十次。

低频QPO发现于上世纪80年代，它在黑洞双星中普遍存在。关于它的物理起源，有些科学家认为，当伴星的物质被黑洞吸引，在旋转落向黑洞的过程中会形成吸积盘，而在这个过程中，吸积盘上可能会出现一些不稳定性，引起X射线辐射发生类似周期性的调制，产生低频QPO。

而另外一些科学家认为，在靠近黑洞的地方，会有一团由热等离子体组成的结构，这个结构的内部可能会发生振荡，或者这个结构的指向可能会绕着黑洞的自转轴旋转（也就是发生进动），导致X射线辐射发生类似周期性的调制，产生低频QPO。

图2. 低频QPO表现为亮度类似周期性的高低变化（图源：慧眼团队）

那低频QPO怎么会和喷流联系起来呢？这团由等离子体组成的结构可能就是尺度比较小的喷流，这个喷流绕着黑洞旋转，形象地可以理解为随着黑洞一起摇摆。

在摇摆的过程中，当喷流朝向我们时，我们看到的喷流就会亮一些，而当喷流远离我们的时候，看到的亮度就会暗一些。而且，喷流是绕着黑洞自转轴一圈又一圈地摇摆的，所以这种亮度变化是类似周期性的。可见低频QPO现象就自然产生了。

视频2. 喷流摇摆产生低频QPO（来源：慧眼团队）

这时，大家可能还有疑问，既然上面说到低频QPO可能来源于吸积盘，那为什么慧眼卫星看到的低频QPO就不会来自于吸积盘呢？因为它的能量实在是太高了，超过200千电子伏特！而吸积盘的温度最多也就几个千电子伏特。

好了，今天关于喷流随着黑洞摇摆的故事就到这里了，最后还得感谢慧眼卫星，因为它对高能光子具有最强的收集能力，所以才让我们能够看到如此有趣的现象。

图3. 慧眼卫星看到来自于喷流的低频QPO（图源：慧眼团队）

作者简介：陶炼，中科院高能所特聘青年研究员，慧眼卫星团队成员。马想，中科院高能所副研究员，慧眼卫星团队成员。

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