遥远星系中持续的“打嗝”吸引天文学家发现新的黑洞行为

来自麻省理工学院、意大利、捷克共和国和其他地方的天文学家发现，位于距我们约8亿光年的星系中心的一个先前安静的黑洞突然爆发，每8.5天就会释放出羽状气体。恢复到正常、安静的状态。

周期性打嗝是一种新行为，迄今为止尚未在黑洞中观察到。科学家们认为，对这次爆发最可能的解释是，第二个较小的黑洞围绕中心超大质量黑洞旋转，每8.5天就会从较大黑洞的气体盘中抛射出物质。

该团队的研究结果发表在《科学进展》杂志上，挑战了黑洞吸积盘的传统观点，科学家们此前认为黑洞吸积盘是围绕中心黑洞旋转的相对均匀的气体盘。新的结果表明，吸积盘的内容可能更加多样化，可能包含其他黑洞甚至整个恒星。

“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，”研究作者Dheeraj“DJ”Pasham说，他是麻省理工学院卡维利天体物理和空间研究所的研究科学家。“我们认为还会有更多这样的系统，我们只需要获取更多数据就可以找到它们。”

该研究的麻省理工学院的合著者包括博士后PeterKosec、研究生MeganMasterson、副教授ErinKara、首席研究科学家RonaldRemillard和前研究科学家MichaelFausnaugh，以及来自多个机构的合作者，包括罗马TorVergata大学、捷克科学院天文研究所和捷克共和国马萨里克大学。

“使用它或失去它”

该团队的发现源于ASAS-SN(超新星全天空自动巡天)的自动探测，ASAS-SN是一个由20台机器人望远镜组成的网络，分布在北半球和南半球的不同地点。这些望远镜每天自动观测整个天空一次，寻找超新星和其他瞬态现象的迹象。

2020年12月，这项调查在距我们约8亿光年的一个星系中发现了一次光爆发。天空的那个特定部分一直相对安静和黑暗，直到望远镜发现为止，星系突然变亮了1,000倍。帕沙姆碰巧在社区警报中看到了这一发现，他选择使用NASA的NICER(中子星内部成分探测器)来关注耀斑，这是国际空间站上的X射线望远镜，可以连续监测天空中的X射线。-射线爆发可能预示着中子星、黑洞和其他极端引力现象的活动。这个时机是偶然的，因为帕沙姆获准指向或“触发”望远镜的一年即将结束。

“要么使用它，要么失去它，结果这是我最幸运的一次突破，”他说。

他训练了NICER来观察遥远的星系，因为它继续耀斑。爆发持续了大约四个月才逐渐平息。在此期间，NICER每天以高频率测量星系的X射线发射。当帕沙姆仔细观察数据时，他注意到四个月的耀斑中有一个奇怪的模式：在非常窄的X射线带中出现微妙的下降，似乎每8.5天就会重新出现一次。

银河系的能量爆发似乎每8.5天周期性地下降一次。该信号类似于天文学家在绕轨道运行的行星穿过其主恒星前方并短暂阻挡恒星光线时所看到的信号。但没有一颗恒星能够阻挡整个星系的耀斑。

“我对这意味着什么感到摸不着头脑，因为这种模式与我们对这些系统的了解不符，”帕沙姆回忆道。

冲它

当帕沙姆寻找周期性下降的解释时，他偶然发现了捷克共和国理论物理学家最近发表的一篇论文。理论家们分别得出，理论上，星系中央的超大质量黑洞可能存在第二个小得多的黑洞。那个较小的黑洞可能与其较大伴星的吸积盘以一定角度运行。

正如理论家所提出的，次级黑洞在绕轨道运行时会周期性地击穿主黑洞的圆盘。在此过程中，它会释放出一股气体，就像蜜蜂飞过花粉云一样。黑洞南北的强大磁场可以将羽流弹起并弹出圆盘。每次较小的黑洞穿过圆盘时，它都会以规则的周期性模式喷射出另一个羽流。如果这个羽流恰好指向观测望远镜的方向，它可能会观察到羽流是星系整体能量的下降，时不时地短暂地阻挡了圆盘的光线。

“我对这个理论感到非常兴奋，我立即给他们发电子邮件说，‘我认为我们正在观察你的理论所预测的情况，’”帕沙姆说。

他和捷克科学家联手测试了这个想法，通过模拟结合了NICER对原始爆发和8.5天定期下降的观察。他们的发现支持了这一理论：观察到的爆发可能是第二个较小黑洞的信号，它绕着中心超大质量黑洞运行，并周期性地刺穿其圆盘。

具体来说，研究小组发现，在2020年12月的探测之前，该星系相对安静。研究小组估计银河系中央的超大质量黑洞的质量相当于5000万个太阳。在爆发之前，黑洞可能有一个微弱的、弥散的吸积盘围绕它旋转，而第二个较小的黑洞(测量到100到10,000个太阳质量)则在相对模糊的轨道上运行。

研究人员怀疑，2020年12月，第三个物体(可能是附近的恒星)距离该系统太近，并被超大质量黑洞的巨大引力撕成碎片，这一事件被天文学家称为“潮汐瓦解事件”。当恒星碎片旋入黑洞时，恒星物质的突然涌入瞬间照亮了黑洞的吸积盘。在四个多月的时间里，当第二个黑洞继续绕轨道运行时，黑洞吞噬了恒星碎片。当它刺穿圆盘时，它喷射出比平常大得多的羽流，这股羽流恰好直接射向NICER的瞄准镜。

该团队进行了大量模拟来测试周期性下降。他们得出的结论是，最可能的解释是一种新型的大卫与歌利亚系统——一个微小的中等质量黑洞，围绕着一个超大质量黑洞快速旋转。

“这是一头不同的野兽，”帕沙姆说。“它与我们对这些系统的任何了解都不相符。我们看到物体以不同角度进入并穿过圆盘的证据，这挑战了黑洞周围简单气态圆盘的传统图像。我们认为这些系统数量庞大。”

“这是一个很好的例子，说明了如何利用破碎恒星的碎片来照亮银河核的内部，否则银河核的内部将保持黑暗。这类似于使用荧光染料来寻找管道中的泄漏点，”马德里欧洲空间天文学中心(ESAC)的X射线天文学家理查德·萨克斯顿(RichardSaxton)说道，他没有参与这项研究。“这一结果表明，非常接近的超大质量黑洞双星在星系核中可能很常见，这对于未来引力波探测器来说是一个非常令人兴奋的发展。”