與黑洞一起搖擺_風聞

　　讓我們一起搖擺 一起搖擺

　　忘記所有傷痛 來一起搖擺

　　明天會發生什麼 誰能知道

　　所以此刻

　　讓我們盡情地一起搖擺

　　——汪峯《一起搖擺》

　　這首歌的旋律響起時，大家會想到什麼？燈光、音樂、舞池裏盡情搖擺的人羣？會有小夥伴由此聯想到有東西隨着黑洞一起搖擺嗎？那我們先看看這段視頻。

　　視頻裏像絲帶一樣的東西是什麼呢？它為什麼會隨着黑洞搖擺？帶着這個問題我們來看看什麼是黑洞，教科書上説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，但是不同於諾獎得主萊因哈德·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，一顆恆星級質量黑洞。大於20個太陽質量的恆星，在其生命終點時，核心會塌縮成為恆星級質量黑洞，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着，沒有恆星與之作伴。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。

　　而少數黑洞由於有恆星與之作伴，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，併產生噴流（見圖1）。隨着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，併產生噴流（圖源：G Pérez Díaz (IAC)）

　　結束上面這一段類似教科書上的介紹後，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。那噴流又是什麼？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。

　　那噴流為什麼會搖擺呢？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，所以噴流就會隨着黑洞搖擺。

　　現在，可能有小夥伴會問，這些都是科學家的想象，有證據嗎？還真有！

　　慧眼衞星團隊在上個月發佈消息，他們發現了能量最高（200 千電子伏特以上）的低頻準週期振盪現象，而產生這個現象的源頭就是噴流。可能小夥伴們又疑惑了，什麼是低頻準週期振盪現象？為什麼產生它的源頭是噴流？

　　長話短説，低頻準週期振盪現象就是“低頻”＋“準週期”＋“振盪”＋“現象”：“低頻”的意思就是説還有高頻，“準週期”就是説它不是精確的週期性的，“振盪”就是説會出現高低起伏的變化，“現象”意味着是我們能夠觀測到的。

　　所以，低頻準週期振盪（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週期性的高低變化（見圖2），而且這種變化卻不是精確週期性的。這種變化的頻率從幾秒鐘一次到1秒鐘幾十次。

　　低頻QPO發現於上世紀80年代，它在黑洞雙星中普遍存在。關於它的物理起源，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射線輻射發生類似週期性的調製，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盪，或者這個結構的指向可能會繞着黑洞的自轉軸旋轉（也就是發生進動），導致X射線輻射發生類似週期性的調製，產生低頻QPO。

　　圖2. 低頻QPO表現為亮度類似週期性的高低變化（圖源：慧眼團隊）

　　那低頻QPO怎麼會和噴流聯繫起來呢？這團由等離子體組成的結構可能就是尺度比較小的噴流，這個噴流繞着黑洞旋轉，形象地可以理解為隨着黑洞一起搖擺。

　　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，噴流是繞着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週期性的。可見低頻QPO現象就自然產生了。

　　這時，大家可能還有疑問，既然上面説到低頻QPO可能來源於吸積盤，那為什麼慧眼衞星看到的低頻QPO就不會來自於吸積盤呢？因為它的能量實在是太高了，超過200千電子伏特！而吸積盤的温度最多也就幾個千電子伏特。

　　好了，今天關於噴流隨着黑洞搖擺的故事就到這裏了，最後還得感謝慧眼衞星，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.    慧眼衞星看到來自於噴流的低頻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，慧眼衞星團隊成員。

　　馬想，中科院高能所副研究員，慧眼衞星團隊成員。