我科學家觀測到超大質量黑洞的“心跳”

本報北京6月14日電 記者齊芳 從中國科學院國家天文台獲悉，該研究所科研人員與英國合作者共同再次觀測到了來自一個超大質量黑洞的“心跳”——X射線準週期震盪信號。這種信號的週期攜帶了關於黑洞視界附近的物質尺度和結構的關鍵信息，新發現或將讓我們對黑洞這一特殊的天體有更深刻的理解。

宇宙中存在大量具有百萬至上億個太陽質量的黑洞。漂浮在星際空間中的物質會被黑洞的引力所俘獲，在逐漸落入黑洞的過程中，會形成一個圓盤狀的結構，並在黑洞周圍很小的空間裏釋放大量的能量，從而產生很強的高能輻射，例如X射線。週期性重複的高能輻射信號被稱為黑洞的“心跳”，但在科學家的觀測中，黑洞的“心跳”極少被發現。

2007年，科學家們首次發現被命名為RE J1034+396的黑洞，其X射線輻射具有一小時左右的週期性震盪信號。這個黑洞距離地球6億光年，是具有兩百萬個太陽質量的超大質量黑洞。2011年以後，由於該黑洞的視線方向離太陽太近，對其“心跳”信號的監測也停止了。

2018年，中國科學院國家天文台金馳川研究員領銜的研究團隊利用XMM-牛頓衞星、“核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）”衞星和“雨燕（Swift）”衞星，對RE J1034+396開展聯合觀測，並最終確認它的“心跳”不僅仍然存在，而且比10年前更強了。這是目前觀測到的超大質量黑洞“心跳”信號的最長持續時間。

研究人員介紹，目前已知唯一一個能夠產生類似“心跳”信號的黑洞，是一個位於銀河系旋臂內、被稱為GRS 1915+105的小黑洞。該黑洞的質量是12個太陽質量，正快速地從其旁邊的一顆恆星吸收物質，並以67赫茲左右的“心率”產生X射線“心跳”信號。

通過簡單的質量對比，科學家們估算了RE J1034+396的理論“心率”，發現和實測“心率”很一致。論文的合作者之一，來自英國杜倫大學的克里斯·東尼教授説：“我們目前的理解是這種‘心跳’信號源自黑洞視界附近高温物質的週期性結構變化過程。通過與GRS 1915+105這個小黑洞的對比，證明了雖然不同類型的黑洞質量差別可達數十萬倍以上，但他們在一些特殊行為的表現方面卻非常類似。”

論文第一作者兼通訊作者金馳川研究員表示：“這個‘心跳’信號首次證明來自超大質量黑洞的這類週期性信號可以長期保持穩定，併為我們提供了深入研究其物理機制和起源的重要線索和絕佳機會。RE J1034+396也可以成為我國下一代X射線天文衞星，例如愛因斯坦探針（EP）衞星和加強型X射線時變與偏振空間天文台衞星（eXTP）的重要觀測目標之一。”該研究團隊目前正對多顆衞星的數據進行深入分析，以期對該“心跳”信號的性質有更多瞭解，並與銀河系內的小質量黑洞作對比，從而獲得對黑洞視界附近的物理過程的更深刻理解。