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研究发现:黑洞在“吃掉”周围恒星时会“打嗝”!

前瞻网    2021-08-13 16:51

 

 

研究发现:黑洞在“吃掉”周围恒星时会“打嗝”!

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员发现,黑洞在吞噬周围的气体和恒星时,会发出闪烁的光芒——类似于“打嗝”,而这种亮度的变化与它们的大小直接相关。

超大质量黑洞(SMBHs)的质量是太阳的几百万到几十亿倍,通常居住在星系的中心当处于休眠状态且不以周围的气体和恒星为食时,SMBH 发出的光很少;天文学家探测它们的唯一方法是通过它们对附近恒星和气体的引力影响。然而,研究人员表示,在早期宇宙中,当 SMBH 快速增长时,它们会以密集的速度积极地喂食或吸积物质并发出大量辐射,有时甚至超过它们所在的整个星系。

由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校天文学研究生科林·伯克和沈悦(音译)教授领导的这项新研究揭示了主动喂养 SMBH 的质量与闪烁模式中的特征时间尺度之间的明确关系。研究结果发表在《科学》杂志上。

从吸积的 SMBH 观察到的光不是恒定的。由于尚未了解的物理过程,它在数小时到数十年的时间尺度上显示出无处不在的闪烁。“有许多研究探索了观察到的闪烁与 SMBH 质量之间可能的关系,但结果尚无定论,有时还存在争议,”伯克说。

该团队编译了大量主动喂养 SMBH 的数据集,以研究闪烁的可变性模式。他们确定了一个特征时间尺度,在该时间尺度上模式会发生变化,与 SMBH 的质量密切相关。研究人员随后将结果与吸积的白矮星(如我们的太阳这样的恒星的残余物)进行了比较,发现即使白矮星的质量比 SMBH 的质量小数百万到数十亿倍,也存在相同的时间尺度-质量关系。

研究人员说,闪烁的光是黑洞进食过程中的随机波动。天文学家可以通过测量作为时间尺度函数的可变性的力量来量化这种闪烁模式。对于增加 SMBH,可变性模式从短时间尺度变为长时间尺度。这种变异模式的转变发生在一个特征时间尺度上,对于更大质量的黑洞来说,这个时间尺度更长。

该团队将这种转变等同于人类打嗝,将黑洞进食与我们的进食或饮水活动进行了比较。婴儿在喝牛奶时经常会打嗝,而成年人则可以保持打嗝的时间更长。他们说,黑洞在进食时也会做同样的事情。

“这些结果表明,在吸积过程中驱动闪烁的过程是普遍的,无论中心物体是超大质量黑洞还是重量更轻的白矮星,”沈悦说。

“在观察到的光闪烁与吸积物的基本特性之间建立联系肯定会帮助我们更好地了解吸积过程,”熨斗研究所的研究员、该研究的合著者姜燕飞(音译)说。

天体物理黑洞的质量和大小各不相同。在质量不到太阳质量几十倍的恒星质量黑洞和 SMBH 之间,有一群称为中等质量黑洞的黑洞(IMBH ),其质量约为太阳质量的 100 到 10万 倍。

预计 IMBH 会在宇宙的历史中大量形成,它们可能会为以后成长为 SMBH 提供必要的种子。然而,从观察上看,这群 IMBH 令人惊讶地难以捉摸。只有一种无可争议地确认的 IMBH 重量约为太阳质量的 150 倍。但是,IMBH 是由两个质量较小的黑洞合并产生的引力波辐射偶然发现的。

“既然闪烁模式与中央吸积天体的质量之间存在相关性,我们可以用它来预测来自 IMBH 的闪烁信号可能是什么样子,”伯克说。

全世界的天文学家都在等待一个监测动态和多变天空的大规模调查时代的正式开始。从 2023 年底开始,智利时空遗产调查(LSST)中的维拉·C·鲁宾天文台将在 10 年内对天空进行调查,并收集数十亿个物体的闪烁数据。

“挖掘 LSST 数据集以搜索与吸积 IMBH 一致的闪烁模式有可能发现并充分了解这个长期寻找的神秘黑洞群,”合著者、美国天文学教授刘欣(音译)说。

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