中国科学家发现6亿光年外一颗大黑洞仍在“心跳”不止

腾讯太空 文/国家天文台金驰川研究员

十几年前，天文学家们首次发现来自一个超大质量黑洞的X射线准周期震荡信号– “黑洞的心跳“。十几年后，当天文学家们再次有机会观测这个黑洞时，发现这个信号仍在持续！

这项研究工作是由国家天文台高能天体物理团组的金驰川研究员主导的，合作者包括英国杜伦大学的Chris Done教授和Martin Ward教授。论文已于日前发表于《英国皇家天文学会月刊》，并同时被BBC、ScienceDaily等媒体报道和转载。

这个特殊的黑洞被命名为REJ1034+396，是一个距离地球6亿光年，具有200万颗太阳质量的超大质量黑洞。2007年，科学家们利用欧洲宇航局的XMM-牛顿卫星，首次发现这个黑洞的X射线辐射具有一小时左右的周期性震荡信号。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。

直到2018年，科学家们再次有机会对这个黑洞开展观测。由国家天文台金驰川研究员担任PI的研究团队，向欧洲宇航局和美国宇航局申请使用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，并于2018年10月顺利完成了所有观测任务。经过详细的数据分析，该团队最终确认，RE J1034+396的X射线震荡信号仍然存在！并且比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。

图注：这个动画展示了考虑到爱因斯坦的广义相对论效应，黑洞周围产生周期性震荡信号区域的视觉效果。动画里展示的形状是由于黑洞视界附近的强引力场的光线弯曲效应产生的。Credit: Dr Frederic Vincent, Observatoire de Paris, France.

宇宙中存在大量的具有百万至上亿个太阳质量的黑洞。电影《星际穿越》里的“卡刚图雅“黑洞就是这样一个大黑洞。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，比如X射线。但是，这种高能辐射的周期性重复信号却极少被发现。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。

目前已知的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。该黑洞的质量仅为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。

论文的第一作者兼通讯作者，国家天文台的金驰川研究员说：“这个心跳信号非常美秒！它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，比如爱因斯坦探针(EP)卫星和eXTP卫星的重要观测目标之一。“

图注：这个动画展示了一个可能的产生黑洞心跳信号的物理模型，即源自黑洞视界附近的高温等离子体（corona）的大小和形状的缩放过程。Credit：Dr. Chichuan Jin of the National Astronomical Observatories, ChineseAcademy of Sciences.

论文的合作者之一，来自英国杜伦大学的Chris Done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。“

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。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、中科院空间科学先导专项、英国科学与技术设施委员会（STFC）的经费支持。

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