新方法測黑洞質(zhì)量：“進(jìn)食”的黑洞質(zhì)量與吸積盤亮度閃爍有關(guān)

　　一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)：積極“進(jìn)食”的超大質(zhì)量黑洞吸積盤的亮度閃爍與該黑洞的質(zhì)量有關(guān)。“質(zhì)量是黑洞最重要的物理量。了解黑洞的質(zhì)量對(duì)于其他研究的開展非常重要，比如黑洞形成、黑洞對(duì)宿主星系的影響等?！毖芯咳藛TColin Burke對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎尽?/p>

　　盡管天文學(xué)家已經(jīng)有一些方法來間接獲取黑洞的質(zhì)量，但這些方法都有所局限。比如，通常只能用在距離地球近（約幾千萬秒差距，1秒差距=3.2616光年）的天體上，還需要非常特殊的條件（例如有非常密集的分子氣體盤圍繞黑洞運(yùn)行等），或需要大量的望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)間。此外，使用這種方法測量較暗的吸積盤也很困難。

　　在這項(xiàng)最新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，吸積盤發(fā)出的閃爍光芒可以揭示其中心的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)提供了一種用光學(xué)觀測來了解超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量的新方法，而且這種技術(shù)不僅適用于黑洞，也適用于某些小而致密的天體，如白矮星。

　　該研究于北京時(shí)間8月13日發(fā)布在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Science》上，論文標(biāo)題為《A characteristic optical variability timescale in astrophysical accretion disks》。研究團(tuán)隊(duì)來自美國伊利諾伊大學(xué)、伊利諾伊州宇宙高級(jí)研究中心、加州大學(xué)等機(jī)構(gòu)，通訊作者為伊利諾伊大學(xué)天文系教授沈悅，第一作者為伊利諾伊大學(xué)天文學(xué)研究生 Colin Burke。

　　超大質(zhì)量黑洞（Supermassive black hole）具有數(shù)百萬到數(shù)十億倍太陽質(zhì)量，通常位于大質(zhì)量星系的中心。當(dāng)它們處于休眠狀態(tài)且不“食用”周圍的氣體和恒星時(shí)，它們發(fā)出的光很少；天文學(xué)家探測它們的唯一方法是通過它們對(duì)附近恒星和氣體的引力影響。

　　“超大質(zhì)量黑洞是宇宙中最極端的物體，也是檢驗(yàn)基本理論的偉大實(shí)驗(yàn)室。研究它們?cè)谟钪鏁r(shí)間內(nèi)的物理和演化，不僅對(duì)增加我們的物理知識(shí)很重要，而且對(duì)理解大爆炸以來宇宙結(jié)構(gòu)（如恒星、行星、星系和黑洞）的出現(xiàn)也很重要?！鄙驉倢?duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎尽?/p>

　　研究表示，早期宇宙中，當(dāng)超大質(zhì)量黑洞快速增長時(shí)，它們會(huì)快速積極地“進(jìn)食”（吸積）物質(zhì)。黑洞周圍會(huì)形成由氣體、星塵和等離子體組成的盤狀結(jié)構(gòu)——吸積盤。當(dāng)吸積盤的物質(zhì)向黑洞墜落時(shí)，吸積盤的氣體因粘度而減速而達(dá)到高溫，散發(fā)出大量輻射光，包括可見光、紫外線和X射線。

　　雖然這些吸積盤（不會(huì)比太陽系大多少）比它們整個(gè)宿主星系小得多，但它們的亮度常常超過整個(gè)星系其他部分的亮度。吸積盤的光并不是恒定的，由于某種未知的物理過程，光在數(shù)小時(shí)到數(shù)十年的時(shí)間尺度上顯示出“閃爍”。

　　“有許多研究探討了觀察到的閃爍與超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量之間可能的關(guān)系，但結(jié)果尚無定論，有時(shí)還存在爭議。”Burke表示。

　　此項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)測量了 67 個(gè)得到仔細(xì)觀測的活躍星系的超大質(zhì)量黑洞的輻射光通量變化，來確定亮度波動(dòng)明顯變小的時(shí)間尺度（被稱為“阻尼”時(shí)間尺度）。他們發(fā)現(xiàn)，該時(shí)間尺度與大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有很大的相關(guān)性。研究人員隨后將結(jié)果與吸積的白矮星進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)白矮星也存在同樣的時(shí)間尺度與質(zhì)量的關(guān)系。

　　研究人員表示，閃爍的光是黑洞“進(jìn)食”過程中的隨機(jī)波動(dòng)。天文學(xué)家可以通過測量作為時(shí)間尺度函數(shù)的可變性的力量來量化這種閃爍模式。

　　“過去，測黑洞質(zhì)量需要光譜學(xué)。但這種測量起來較困難，尤其是對(duì)于對(duì)小的超大質(zhì)量黑洞，它們不是很亮。通過光學(xué)觀測望遠(yuǎn)鏡，比如魯賓天文臺(tái)，我們就可以直接用光度曲線來測量各種正在吸積的黑洞的質(zhì)量。”Burke表示。

　　對(duì)于吸積的超大質(zhì)量黑洞，光的變化模式從短時(shí)間尺度變?yōu)殚L時(shí)間尺度。這種模式的轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)特征時(shí)間尺度上，對(duì)于質(zhì)量更大的黑洞來說，該時(shí)間尺度更長。

　　“這些結(jié)果表明，吸積過程中光的閃爍是普遍的，無論其中心是超大質(zhì)量黑洞還是質(zhì)量較輕的白矮星?！鄙驉偙硎?。

　　有一種黑洞叫做中等質(zhì)量黑洞（intermediate-mass black hole），它的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的100到100000倍。人們預(yù)計(jì)在宇宙歷史中有大量中等質(zhì)量黑洞形成，它們可能為之后的超大質(zhì)量黑洞提供必要的種子。然而，從觀察上看，這種黑洞讓人難以捉摸。只有一種確認(rèn)的中等質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的150倍。它是由兩個(gè)質(zhì)量較小的黑洞合并產(chǎn)生的引力波輻射偶然發(fā)現(xiàn)的。

　　“我們希望此項(xiàng)研究能夠用于發(fā)現(xiàn)一個(gè)正在增長的中等質(zhì)量黑洞——它是恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞中間缺失的一環(huán)。”Burke表示。

　　“這種新的測量方法非常實(shí)用。即將會(huì)有大量的天文數(shù)據(jù)，我們可以用來在未來5年-10年進(jìn)行大量的測量?！鄙驉偙硎尽＃?023 年底，智利魯賓天文臺(tái)將開啟觀測，并收集數(shù)十億個(gè)物體的閃爍數(shù)據(jù)。）

　　提及了解黑洞對(duì)人類的意義，沈悅表示，“首先，我認(rèn)為這滿足人類好奇心的天性，了解宇宙的運(yùn)作（黑洞是我們所知道的最神秘的物體之一）。第二，通過了解黑洞相關(guān)的過程，我們可以增加其他實(shí)用知識(shí)，例如，能量是如何在極端的重力、溫度和密度的環(huán)境中產(chǎn)生的?！保ㄓ浾撸簞⒑剑?/p>

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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