與黑洞一起搖擺

舞曲的旋律響起時(shí)，大家會(huì)想到什么？燈光、音樂、舞池里盡情搖擺的人群？會(huì)有小伙伴由此聯(lián)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(huì)隨著黑洞搖擺？帶著這個(gè)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(duì)論的預(yù)言，公眾認(rèn)為它是宇宙中吞噬一切的怪物，而今年的諾獎(jiǎng)評(píng)委認(rèn)為它十分重要，值得諾獎(jiǎng)的認(rèn)可。

我們今天故事的主角就是黑洞，但是不同于諾獎(jiǎng)得主萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲發(fā)現(xiàn)的銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，它是質(zhì)量輕五十萬倍的小兄弟，一顆恒星級(jí)質(zhì)量黑洞。大于20個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，在其生命終點(diǎn)時(shí)，核心會(huì)塌縮成為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，銀河系內(nèi)可能存在上億個(gè)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(zhì)，而星際介質(zhì)本身的密度又極低，因此這些黑洞的輻射就相當(dāng)微弱，人們很難看到它們。

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

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

結(jié)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(gè)像絲帶一樣的東西就是科學(xué)家想象中的噴流。那噴流又是什么？噴流是一種運(yùn)動(dòng)速度接近光速的高速物質(zhì)流。

黑洞吞噬周圍物質(zhì)的過程中，也就是黑洞在吃東西的過程中，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一些反饋，而噴流就是黑洞系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生顯著反饋影響的一種主要手段。

那噴流為什么會(huì)搖擺呢？答案是因?yàn)楹诙丛谛D(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)拖曳了周圍的彎曲時(shí)空，所以噴流就會(huì)隨著黑洞搖擺。

現(xiàn)在，可能有小伙伴會(huì)問，這些都是科學(xué)家的想象，有證據(jù)嗎？還真有！

慧眼衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)在上個(gè)月發(fā)布消息，他們發(fā)現(xiàn)了能量最高（200 千電子伏特以上）的低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，而產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的源頭就是噴流?？赡苄』锇閭冇忠苫罅?，什么是低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象？為什么產(chǎn)生它的源頭是噴流？

長(zhǎng)話短說，低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象就是“低頻”＋“準(zhǔn)周期”＋“振蕩”＋“現(xiàn)象”：“低頻”的意思就是說還有高頻，“準(zhǔn)周期”就是說它不是精確的周期性的，“振蕩”就是說會(huì)出現(xiàn)高低起伏的變化，“現(xiàn)象”意味著是我們能夠觀測(cè)到的。

所以，低頻準(zhǔn)周期振蕩（簡(jiǎn)稱低頻QPO）就是這樣一類特殊的觀測(cè)現(xiàn)象，它表現(xiàn)為一些黑洞雙星的輻射強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，它在黑洞雙星中普遍存在。關(guān)于它的物理起源，有些科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)伴星的物質(zhì)被黑洞吸引，在旋轉(zhuǎn)落向黑洞的過程中會(huì)形成吸積盤，而在這個(gè)過程中，吸積盤上可能會(huì)出現(xiàn)一些不穩(wěn)定性，引起X射線輻射發(fā)生類似周期性的調(diào)制，產(chǎn)生低頻QPO。

而另外一些科學(xué)家認(rèn)為，在靠近黑洞的地方，會(huì)有一團(tuán)由熱等離子體組成的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生振蕩，或者這個(gè)結(jié)構(gòu)的指向可能會(huì)繞著黑洞的自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)（也就是發(fā)生進(jìn)動(dòng)），導(dǎo)致X射線輻射發(fā)生類似周期性的調(diào)制，產(chǎn)生低頻QPO。

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

那低頻QPO怎么會(huì)和噴流聯(lián)系起來呢？這團(tuán)由等離子體組成的結(jié)構(gòu)可能就是尺度比較小的噴流，這個(gè)噴流繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，形象地可以理解為隨著黑洞一起搖擺。

在搖擺的過程中，當(dāng)噴流朝向我們時(shí)，我們看到的噴流就會(huì)亮一些，而當(dāng)噴流遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，看到的亮度就會(huì)暗一些。而且，噴流是繞著黑洞自轉(zhuǎn)軸一圈又一圈地?fù)u擺的，所以這種亮度變化是類似周期性的?？梢姷皖lQPO現(xiàn)象就自然產(chǎn)生了。

視頻2. 噴流搖擺產(chǎn)生低頻QPO（來源：慧眼團(tuán)隊(duì)）

這時(shí)，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(wèi)星看到的低頻QPO就不會(huì)來自于吸積盤呢？因?yàn)樗哪芰繉?shí)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(gè)千電子伏特。

好了，今天關(guān)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(wèi)星，因?yàn)樗鼘?duì)高能光子具有最強(qiáng)的收集能力，所以才讓我們能夠看到如此有趣的現(xiàn)象。

圖3. 慧眼衛(wèi)星看到來自于噴流的低頻QPO（圖源：慧眼團(tuán)隊(duì)）

作者簡(jiǎn)介：陶煉，中科院高能所特聘青年研究員，慧眼衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員。馬想，中科院高能所副研究員，慧眼衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員。