超大质量黑洞的神秘打嗝可能是由邻近黑洞的“拳头”引起的

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第二个黑洞穿过其超大质量同伴的吸积盘，引起宇宙“打嗝”。（图片来源:麻省理工学院何塞-路易斯·奥尔·伊瓦雷斯）

（）据美国太空网（Robert Lea）：一个打嗝的超大质量黑洞提醒天文学家注意一种全新类型的黑洞行为。

2020年，一个位于距离地球约8亿光年的星系中心、质量相当于5000万个太阳的黑洞突然爆发，使其周围的物质变亮了1000倍。

一组研究人员认为，这些周期性喷发是由第二个较小的黑洞撞击超大质量黑洞周围的气体和尘埃盘或“吸积盘”引起的，导致其反复“打嗝”出物质。

这些发现挑战了黑洞吸积盘如何运作的传统观点。此前，科学家们认为它们是围绕中心黑洞旋转的均匀气体和尘埃盘。然而，新的结果表明，一些吸积盘可能含有奇异的成分，如恒星和更小的次级黑洞。

“这是一只不同的野兽。它不符合我们对这些系统的任何了解。我们以为我们对黑洞了解很多，但这告诉我们，它们可以做更多的事情，”研究小组成员、麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所的科学家Dheeraj“DJ”Pasham在一份声明中说。

帕萨姆补充道：“我们认为还会有更多这样的系统，我们只需要获取更多的数据来找到它们。”。



一个中等质量黑洞围绕超大质量黑洞运行的计算机模拟，并驱动周期性的气体羽流，可以解释新的“打嗝”观测结果。（图片来源：CAS天文研究所Petra Sukova）

寻找“不同的野兽”黑洞系统

该团队最初是在检查超级新星全天空自动巡天（ASAS-SN）的数据时得知这个打嗝的黑洞的，这是一个由全球20台望远镜组成的网络，每天扫描地球上的整个天空一次。

2020年12月，当ASAS-SN自动扫描天空时，机器人望远镜在一片迄今为止平静的天空中看到了一束光，其中包含一个距离约8亿光年的星系。帕萨姆使用位于国际空间站（ISS）的美国国家航空航天局X射线望远镜中子星内部成分探测器（NICER）追踪到了这一耀斑。

帕萨姆只剩下很短的时间来使用基于国际空间站的望远镜，该望远镜用于寻找中子星、黑洞和其他极端引力现象爆发的X射线爆发，这意味着他必须迅速行动，运气好。

帕萨姆说：“要么使用它，要么失去它，这是我最幸运的休息。”。

研究人员发现，这个星系正在继续爆发，爆发持续了大约四个月。在对这次爆发的NICER观测中，帕萨姆发现了一种奇怪的模式，即X射线和爆发能量每8.5天发生一次微妙的下降。该信号几乎类似于系外行星穿过或“凌日”其恒星表面时引起的光线下降，短暂遮挡其星光。

帕萨姆补充道：“我一直在挠头，不知道这意味着什么，因为这种模式不符合我们对这些系统的任何了解。”。



国际空间站上NICER任务的艺术家插图。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

Pasham的困惑得到了缓解，因为他发现研究表明，星系中心的超大质量黑洞可能被中等质量黑洞环绕，中等质量黑洞的质量是太阳的100到10000倍。

这个较小的黑洞可能以这样一种方式绕着较大的黑洞运行，即它会在超大质量黑洞的吸积盘中进进出出。当它穿过这些气体和尘埃时，较小的黑洞喷出一股气体。每次潜水都会产生另一股羽状物，因此形成了这些“打嗝”的周期性模式

如果这些羽状物指向地球，它们可能会被视为受影响系统的能量突然下降，因为吸积盘的光会周期性地被遮挡，就像凌日系外行星的星光一样。

帕萨姆补充道：“我对这个理论感到非常兴奋，我立即给他们发了电子邮件，说‘我想我们正在观察你的理论预测的结果’。”。

这促使该初步研究的作者创建了包含NICER数据的模拟。这些证实了观测到的8.5天信号很可能是一个小黑洞穿过其较大超大质量黑洞伴星的吸积盘的结果。

是什么导致超大质量黑洞打嗝？意大利面条太多了

然而，这仍然不能解释为什么超大质量黑洞突然爆发——只是为什么这种爆发会周期性地变暗。研究小组认为，这个黑洞之所以诞生，是因为一颗恒星最近徘徊得离其外部边界或“视界”太近。

超大质量黑洞的巨大引力影响会在接近的恒星中产生巨大的潮汐力，垂直拉伸恒星，水平挤压恒星，这一过程被称为“碎片化”。这将导致恒星在潮汐破坏事件中被撕裂，导致强大的光爆发和突然涌入的物质使吸积盘变亮。



一幅插图显示了一个黑洞在潮汐破坏事件中撕裂和吞噬一颗恒星的后果（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯（美国国家航空和宇宙航行局/科学技术研究所））

就新观测到的星系而言，添加的物质显然为超大质量黑洞提供了四个月的能量，也就是爆发的持续时间，这也意味着当较小的次级黑洞穿过这种物质时，它会喷出比平时更大的气体羽流。

帕萨姆说：“我们看到了物体以不同角度进入和穿过圆盘的证据，这对黑洞周围简单气态圆盘的传统图像提出了挑战。”。“我们认为这些系统的数量庞大。”

Richard Saxton是马德里欧洲空间天文中心的X射线天文学家，他没有参与这项研究。他说，这些新发现以及用于探测它们的技术最终可能有助于天文学家更好地了解超大质量黑洞及其居住的奇异环境。

Saxton在一份声明中说：“这一结果表明，非常接近的超大质量黑洞双星可能在星系核中很常见，这对未来的引力波探测器来说是一个非常令人兴奋的发展。”。“这是一个很好的例子，说明了如何利用被破坏恒星的碎片照亮原本会保持黑暗的星系核内部。这类似于使用荧光染料在管道中寻找泄漏。”

该团队的研究于周三（3月27日）发表在《科学进展》杂志上。