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        與黑洞一起搖擺

        來源:光明網作者:陶煉責任編輯:安思翰
        2020-11-05 17:51

        舞曲的旋律響起時,大家會想到什么?燈光、音樂、舞池里盡情搖擺的人群?會有小伙伴由此聯想到有東西隨著黑洞一起搖擺嗎?那我們先看看這段視頻。

        視頻里像絲帶一樣的東西是什么呢?它為什么會隨著黑洞搖擺?帶著這個問題我們來看看什么是黑洞,教科書上說它是愛因斯坦廣義相對論的預言,公眾認為它是宇宙中吞噬一切的怪物,而今年的諾獎評委認為它十分重要,值得諾獎的認可。

        我們今天故事的主角就是黑洞,但是不同于諾獎得主萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲發現的銀河系中心的超大質量黑洞,它是質量輕五十萬倍的小兄弟,一顆恒星級質量黑洞。大于20個太陽質量的恒星,在其生命終點時,核心會塌縮成為恒星級質量黑洞,銀河系內可能存在上億個這樣的黑洞,但這些黑洞大多孤孤單單的存在著,沒有恒星與之作伴。所以,它們只能吸積周圍空間中的星際介質,而星際介質本身的密度又極低,因此這些黑洞的輻射就相當微弱,人們很難看到它們。

        而少數黑洞由于有恒星與之作伴,形成雙星系統,黑洞的強引力可以俘獲來自伴星的物質。來自伴星充足的物質供給,可以使黑洞周圍形成吸積盤,并產生噴流(見圖1)。隨著吸積物質引力勢能的釋放,這些黑洞可以發出明亮的輻射,我們也就有可能觀測到它們。

        圖1. 黑洞雙星示意圖。黑洞吸積來自伴星的物質,形成吸積盤,并產生噴流(圖源:G Pérez Díaz (IAC))

        結束上面這一段類似教科書上的介紹后,我們開始揭曉謎底了。這個像絲帶一樣的東西就是科學家想象中的噴流。那噴流又是什么?噴流是一種運動速度接近光速的高速物質流。

        黑洞吞噬周圍物質的過程中,也就是黑洞在吃東西的過程中,會對周圍環境產生一些反饋,而噴流就是黑洞系統對周圍環境產生顯著反饋影響的一種主要手段。

        那噴流為什么會搖擺呢?答案是因為黑洞在旋轉。旋轉的黑洞會拖曳了周圍的彎曲時空,所以噴流就會隨著黑洞搖擺。

        現在,可能有小伙伴會問,這些都是科學家的想象,有證據嗎?還真有!

        慧眼衛星團隊在上個月發布消息,他們發現了能量最高(200 千電子伏特以上)的低頻準周期振蕩現象,而產生這個現象的源頭就是噴流??赡苄』锇閭冇忠苫罅?,什么是低頻準周期振蕩現象?為什么產生它的源頭是噴流?

        長話短說,低頻準周期振蕩現象就是“低頻”+“準周期”+“振蕩”+“現象”:“低頻”的意思就是說還有高頻,“準周期”就是說它不是精確的周期性的,“振蕩”就是說會出現高低起伏的變化,“現象”意味著是我們能夠觀測到的。

        所以,低頻準周期振蕩(簡稱低頻QPO)就是這樣一類特殊的觀測現象,它表現為一些黑洞雙星的輻射強度會出現類似周期性的高低變化(見圖2),而且這種變化卻不是精確周期性的。這種變化的頻率從幾秒鐘一次到1秒鐘幾十次。

        低頻QPO發現于上世紀80年代,它在黑洞雙星中普遍存在。關于它的物理起源,有些科學家認為,當伴星的物質被黑洞吸引,在旋轉落向黑洞的過程中會形成吸積盤,而在這個過程中,吸積盤上可能會出現一些不穩定性,引起X射線輻射發生類似周期性的調制,產生低頻QPO。

        而另外一些科學家認為,在靠近黑洞的地方,會有一團由熱等離子體組成的結構,這個結構的內部可能會發生振蕩,或者這個結構的指向可能會繞著黑洞的自轉軸旋轉(也就是發生進動),導致X射線輻射發生類似周期性的調制,產生低頻QPO。

        圖2. 低頻QPO表現為亮度類似周期性的高低變化(圖源:慧眼團隊)

        那低頻QPO怎么會和噴流聯系起來呢?這團由等離子體組成的結構可能就是尺度比較小的噴流,這個噴流繞著黑洞旋轉,形象地可以理解為隨著黑洞一起搖擺。

        在搖擺的過程中,當噴流朝向我們時,我們看到的噴流就會亮一些,而當噴流遠離我們的時候,看到的亮度就會暗一些。而且,噴流是繞著黑洞自轉軸一圈又一圈地搖擺的,所以這種亮度變化是類似周期性的??梢姷皖lQPO現象就自然產生了。

        視頻2. 噴流搖擺產生低頻QPO(來源:慧眼團隊)

        這時,大家可能還有疑問,既然上面說到低頻QPO可能來源于吸積盤,那為什么慧眼衛星看到的低頻QPO就不會來自于吸積盤呢?因為它的能量實在是太高了,超過200千電子伏特!而吸積盤的溫度最多也就幾個千電子伏特。

        好了,今天關于噴流隨著黑洞搖擺的故事就到這里了,最后還得感謝慧眼衛星,因為它對高能光子具有最強的收集能力,所以才讓我們能夠看到如此有趣的現象。

        圖3. 慧眼衛星看到來自于噴流的低頻QPO(圖源:慧眼團隊)

        作者簡介:陶煉,中科院高能所特聘青年研究員,慧眼衛星團隊成員。馬想,中科院高能所副研究員,慧眼衛星團隊成員。

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