您当前的位置:首页 >> 手机
物理:来自黑洞边缘的脉冲
发布时间:2019-11-29
 

2014年11月22日,天文学家在夜空中发现了一个罕见的现象:在距离地球近3亿光年远的星系中心,一个超大质量黑洞正无情地撕裂一颗经过的恒星(几乎所有大型的星系中心都包含了一个超大质量黑洞)。黑洞拥有着巨大的潮汐力,可以将恒星撕裂,并在星系中心的附近产生X射线活动的爆发。这一事件被称为潮汐瓦解耀斑。从那以后,许多天文台都将目光对准了这一事件,以进一步理解超大质量黑洞的演化。

物理:来自黑洞边缘的脉冲

研究人员仔细研究了从多个望远镜观测到的数据,发现在所有的数据集中都存在一种异常强烈且稳定的周期性X射线脉冲信号。这个信号似乎来自于黑洞事件视界附近的一个区域(事件视界是一个有去无回的边界,任何物体,包括光,一旦越过事件视界就再也无法逃脱黑洞了)。这种信号似乎每131秒就会周期性地变亮或变暗,并持续了至少450天。

研究人员认为,无论是释放出这种周期性信号的是什么,它都必须绕着黑洞转,而且就在事件视界之外,靠近最内稳定圆轨道(ISCO)上,也就是粒子可以安全绕黑洞运行的最小轨道。

根据信号和黑洞的性质,研究人员计算出了一个极难以确定的黑洞性质——自旋。发表于《科学》期刊上的这项发现是首次将潮汐瓦解耀斑用以估算黑洞自旋的例子。

一个真实的信号

潮汐瓦解耀斑的理论模型表明,当黑洞在撕裂一个恒星时,恒星的一些物质可能会(至少暂时地)待在事件视界之外,在像ISCO这类稳定的轨道上盘旋,在最终被黑洞吞噬之前释放出周期性的X射线闪光。X射线闪光的周期性包含了能让研究人员推断出ISCO轨道大小的关键信息,而轨道大小本身又取决于黑洞的自旋速度。

研究人员认为,如果他们能在最近经历了潮汐瓦解事件的黑洞附近看到这种规律的闪光,他们就能从这些信号中知道黑洞旋转的速度有多快。研究人员将搜索重点放在了ASASSN-14li上,这是天文学家在2014年11月利用地基ASASSN发现的潮汐瓦解事件。该研究的第一作者Dheeraj Pasham说:“这非常令人兴奋,因为我们认为它是潮汐瓦解耀斑的典型代表,这一特殊事件似乎与许多理论预测都相符。”

研究人员查阅了XMM-牛顿太空望远镜、钱德拉X射线太空望远镜和雨燕卫星这三个天文台的数据存档,这些数据记录了自该事件被发现以来的X射线测量数据。先前,Pasham开发了一种用于检测天体物理数据中的周期模式的程序,虽然那并不专门用于分析潮汐瓦解事件,但他决定将这些代码应用于ASASSN-14li的三个数据集,看看是否会出现任何常见的周期性模式。

结果他观察到了一种异常强烈且稳定的周期性X射线辐射,似乎来自非常靠近黑洞边缘的地方。这种强度极高的信号每131秒脉冲一次,持续450多天长,它的亮度比黑洞X射线的平均亮度高40%。Pasham说:“一开始我无法相信,因为它实在太强烈了,但是我们在三个望远镜里都看到了这个信号。所以这是一个真实的信号。”

根据信号的性质以及黑洞的质量(研究人员此前估计这颗黑洞的质量约为太阳质量的100万倍)和大小,研究小组估算出了这颗黑洞的自旋速度至少为光速的50%。Pasham说:“这并不是特别快的,有的黑洞的自旋速度估计能接近光速的99%。但这是我们首次利用潮汐瓦解耀斑来计算超大质量黑洞的自旋。”

被照亮的隐形世界

在信号被发现之后,自然而然就该理论学家上场了,他们需要解释是什么产生了这个信号。该研究团队试想了各种情景,但是要产生这样一个强大、规律的X射线耀斑,可能性最大的情况是这个黑洞不仅粉碎了路过的恒星,还有在黑洞周围环绕的较小的恒星——白矮星

这样的一颗白矮星可能已经在ISCO上围绕着这颗超大质量黑洞运行了一段时间了。但只有它还不足以释放出任何可被探测的辐射。无论什么情况下,望远镜是不可能看到白矮星环绕着一颗相对不活跃、旋转的黑洞的。

大概在2014年11月22日的某个时候,第二颗恒星以足够近的距离经过这个系统,它被黑洞以潮汐瓦解耀斑的形式撕裂,释放出大量的X射线辐射。当黑洞将恒星的物质向内拉时,一些恒星碎片会落进黑洞,而另一些则被留在了白矮星环绕的轨道上。研究人员认为白矮星的引力会吸引这些炽热的恒星物质,并在它的周围产生一个X射线晕。随着白矮星每131秒环绕黑洞一圈,这种X射线也会每131秒被观测到一次。

科学家们承认,这是一种极其罕见的情况,最多只能持续几百年,对宇宙来说这只不过是一眨眼的功夫。因此检测到这种情况的可能性是非常小的。虽然就系统的性质而言,这种情景似乎行得通,但我们得非常幸运才能够找到这样一个系统。

这项研究结果最重要的意义在于,它表明了通过潮汐瓦解事件来计算黑洞自旋是可行的。未来,研究人员希望能在更早期的黑洞粉碎恒星的事件中,发现类似的稳定模式,从而估算出不同时期的黑洞自旋。这将有助于理解黑洞的年龄与自旋之间是否存在着关联。