遥远星系中持续的“打嗝”将天文学家吸引到新的黑洞行为中

在一个遥远的星系中心，一个超大质量黑洞似乎出现了小问题。

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，一个以前安静的黑洞，位于大约8亿光年外的星系中心，突然爆发，每8.5天释放一次气体羽流，然后恢复到正常、安静的状态。

周期性打嗝是一种新的行为，直到现在还没有在黑洞中观察到。科学家们认为，对爆发最可能的解释源于第二个较小的黑洞，该黑洞在中央超大质量黑洞周围活动，每8.5天从较大黑洞的气体盘中抛出物质。

该团队的研究结果今天发表在《 科学进展》杂志上，挑战了黑洞吸积盘的传统图景，科学家们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。

“我们认为我们对黑洞了解很多，但这告诉我们他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Kavli天体物理和空间研究所的研究科学家。“我们认为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。

该研究的麻省理工学院合著者包括博士后Peter Kosec，研究生Megan Masterson，副教授Erin Kara，首席研究科学家Ronald Remillard和前研究科学家Michael Fausnaugh，以及来自多个机构的合作者，包括罗马的Tor Vergata大学，捷克科学院天文研究所和捷克共和国的马萨里克大学。

“要么使用它，要么失去它”

该团队的发现源于ASAS-SN（SuperNovae的全天空自动巡天）的自动探测，ASAS-SN是一个由位于北半球和南半球不同地点的20台机器人望远镜组成的网络。望远镜每天自动测量一次整个天空，寻找超新星和其他瞬态现象的迹象。

2020 年 12 月，该调查在大约 8 亿光年外的星系中发现了一束光。在望远镜探测到之前，天空的那个特定部分一直相对安静和黑暗，当时银河系突然变亮了1000倍。帕沙姆碰巧在社区警报中看到了这一发现，他选择用美国宇航局的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，可以持续监测天空中的X射线爆发，这些X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，因为当时正值帕沙姆获准指向或“触发”望远镜的长达一年的时期即将结束。

“要么使用它，要么失去它，结果证明这是我最幸运的休息，”他说。

他训练NICER观察遥远的星系，因为它继续耀斑。爆发持续了大约四个月，然后逐渐消失。在那段时间里，NICER每天对银河系的X射线发射进行测量。当Pasham仔细观察数据时，他注意到在四个月的耀斑中有一个奇怪的模式：在一个非常狭窄的X射线带中，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。这个信号类似于天文学家看到的，当一颗轨道行星在其主星前方穿过时，短暂地阻挡了恒星的光线。但是没有一颗恒星能够阻挡整个星系的耀斑。

“我摸不着头脑，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了解，”帕沙姆回忆道。

打孔

当他在寻找周期性下降的解释时，帕沙姆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。理论家们分别研究出，从理论上讲，星系的中心超大质量黑洞有可能容纳第二个小得多的黑洞。这个较小的黑洞可以与其较大的伴星吸积盘成一定角度运行。

正如理论家所提议的那样，次级黑洞将在主黑洞的轨道轨道上周期性地穿透它的圆盘。在这个过程中，它会释放出一股气体，就像蜜蜂飞过一团花粉一样。然后，黑洞北部和南部的强大磁场可以将羽流弹射出圆盘。每当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股羽流。如果那股羽流碰巧指向观测望远镜的方向，它可能会观察到羽流是银河系整体能量的下降，每隔一段时间就会短暂地阻挡圆盘的光线。

“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，’我认为我们正在观察你的理论所预测的，’”帕沙姆说。

他和捷克科学家联手测试了这个想法，模拟结合了NICER对原始爆发的观察，以及定期的8.5天下降。他们的发现支持了这一理论：观测到的爆发可能是第二个更小的黑洞的信号，它围绕着一个中央超大质量黑洞运行，并周期性地刺穿它的圆盘。

具体来说，研究小组发现，在2020年12月探测之前，该星系相对安静。该团队估计，银河系的中心超大质量黑洞的质量与5000万个太阳一样大。在爆发之前，黑洞可能有一个微弱的弥漫吸积盘围绕它旋转，因为第二个较小的黑洞，质量为100到10,000个太阳质量，在相对模糊的轨道上运行。

研究人员怀疑，在2020年12月，第三个物体（可能是附近的一颗恒星）离系统太近，被超大质量黑洞的巨大引力撕成碎片——天文学家将这一事件称为“潮汐破坏事件”。恒星物质的突然涌入瞬间照亮了黑洞的吸积盘，因为恒星的碎片旋转到黑洞中。在四个多月的时间里，当第二个黑洞继续绕轨道运行时，黑洞以恒星碎片为食。当它穿过圆盘时，它喷射出的羽流比平时大得多，恰好直接射向NICR的瞄准镜。

该团队进行了大量模拟来测试周期性下降。他们得出结论，最可能的解释是一种新的大卫和歌利亚系统——一个微小的中等质量黑洞，围绕着一个超大质量黑洞。

“这是一头不同的野兽，”帕沙姆说。“它不符合我们对这些系统的了解。我们看到了物体以不同角度进入和穿过圆盘的证据，这挑战了黑洞周围简单气态圆盘的传统图景。我们认为这些系统的数量非常庞大。

“这是一个很好的例子，说明如何利用来自被破坏恒星的碎片来照亮星系核的内部，否则星系核将保持黑暗。这类似于使用荧光染料在管道中寻找泄漏，“马德里欧洲空间天文学中心（ESAC）的X射线天文学家Richard Saxton说，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，这对于未来的引力波探测器来说是一个非常令人兴奋的发展。

这项研究在一定程度上得到了美国宇航局的支持。