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

　　一項最新研究發(fā)現(xiàn)：積極“進食”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)?！百|(zhì)量是黑洞最重要的物理量。了解黑洞的質(zhì)量對于其他研究的開展非常重要，比如黑洞形成、黑洞對宿主星系的影響等。”研究人員Colin Burke對澎湃新聞記者表示。

　　盡管天文學家已經(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行等），或需要大量的望遠鏡觀測時間。此外，使用這種方法測量較暗的吸積盤也很困難。

　　在這項最新研究中，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。

　　該研究于北京時間8月13日發(fā)布在國際知名學術(shù)期刊《Science》上，論文標題為《A characteristic optical variability timescale in astrophysical accretion disks》。研究團隊來自美國伊利諾伊大學、伊利諾伊州宇宙高級研究中心、加州大學等機構(gòu)，通訊作者為伊利諾伊大學天文系教授沈悅，第一作者為伊利諾伊大學天文學研究生 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。當它們處于休眠狀態(tài)且不“食用”周圍的氣體和恒星時，它們發(fā)出的光很少；天文學家探測它們的唯一方法是通過它們對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，也是檢驗基本理論的偉大實驗室。研究它們在宇宙時間內(nèi)的物理和演化，不僅對增加我們的物理知識很重要，而且對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ε炫刃侣動浾弑硎尽?/p>

　　研究表示，早期宇宙中，當超大質(zhì)量黑洞快速增長時，它們會快速積極地“進食”（吸積）物質(zhì)。黑洞周圍會形成由氣體、星塵和等離子體組成的盤狀結(jié)構(gòu)——吸積盤。當吸積盤的物質(zhì)向黑洞墜落時，吸積盤的氣體因粘度而減速而達到高溫，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（不會比太陽系大多少）比它們整個宿主星系小得多，但它們的亮度常常超過整個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)小時到數(shù)十年的時間尺度上顯示出“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，有時還存在爭議?！盉urke表示。

　　此項研究中，該團隊測量了 67 個得到仔細觀測的活躍星系的超大質(zhì)量黑洞的輻射光通量變化，來確定亮度波動明顯變小的時間尺度（被稱為“阻尼”時間尺度）。他們發(fā)現(xiàn)，該時間尺度與大質(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行了比較，發(fā)現(xiàn)白矮星也存在同樣的時間尺度與質(zhì)量的關(guān)系。

　　研究人員表示，閃爍的光是黑洞“進食”過程中的隨機波動。天文學家可以通過測量作為時間尺度函數(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。但這種測量起來較困難，尤其是對于對小的超大質(zhì)量黑洞，它們不是很亮。通過光學觀測望遠鏡，比如魯賓天文臺，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?！盉urke表示。

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

　　“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。人們預計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。

　　“我們希望此項研究能夠用于發(fā)現(xiàn)一個正在增長的中等質(zhì)量黑洞——它是恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞中間缺失的一環(huán)?！盉urke表示。

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

　　提及了解黑洞對人類的意義，沈悅表示，“首先，我認為這滿足人類好奇心的天性，了解宇宙的運作（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用知識，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。”（記者：劉航）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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