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    与黑洞一起摇摆

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      居里夫人

      让我们一起摇摆 一起摇摆

      忘记所有伤痛 来一起摇摆

      明天会发生什么 谁能知道

      所以此刻

      让我们尽情地一起摇摆

      ——汪峰《一起摇摆》

      这首歌的旋律响起时,大家会想到什么?灯光、音乐、舞池里尽情摇摆的人群?会有小伙伴由此联想到有东西随着黑洞一起摇摆吗?那我们先看看这段视频。

      视频1. “丝带”随着黑洞摇摆(来源:慧眼团队)

      视频里像丝带一样的东西是什么呢?它为什么会随着黑洞摇摆?带着这个问题我们来看看什么是黑洞,教科书上说它是爱因斯坦广义相对论的预言,公众认为它是宇宙中吞噬一切的怪物,而今年的诺奖评委认为它十分重要,值得诺奖的认可。

      我们今天故事的主角就是黑洞,但是不同于诺奖得主莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹发现的银河系中心的超大质量黑洞,它是质量轻五十万倍的小兄弟,一颗恒星级质量黑洞。大于20个太阳质量的恒星,在其生命终点时,核心会塌缩成为恒星级质量黑洞,银河系内可能存在上亿个这样的黑洞,但这些黑洞大多孤孤单单的存在着,没有恒星与之作伴。所以,它们只能吸积周围空间中的星际介质,而星际介质本身的密度又极低,因此这些黑洞的辐射就相当微弱,人们很难看到它们。

      而少数黑洞由于有恒星与之作伴,形成双星系统,黑洞的强引力可以俘获来自伴星的物质。来自伴星充足的物质供给,可以使黑洞周围形成吸积盘,并产生喷流(见图1)。随着吸积物质引力势能的释放,这些黑洞可以发出明亮的辐射,我们也就有可能观测到它们。

      图1. 黑洞双星示意图。黑洞吸积来自伴星的物质,形成吸积盘,并产生喷流(图源:G Pérez Díaz (IAC))

      结束上面这一段类似教科书上的介绍后,我们开始揭晓谜底了。这个像丝带一样的东西就是科学家想象中的喷流。那喷流又是什么?喷流是一种运动速度接近光速的高速物质流。

      黑洞吞噬周围物质的过程中,也就是黑洞在吃东西的过程中,会对周围环境产生一些反馈,而喷流就是黑洞系统对周围环境产生显著反馈影响的一种主要手段。

      那喷流为什么会摇摆呢?答案是因为黑洞在旋转。旋转的黑洞会拖曳了周围的弯曲时空,所以喷流就会随着黑洞摇摆。

      现在,可能有小伙伴会问,这些都是科学家的想象,有证据吗?还真有!

      慧眼卫星团队在上个月发布消息,他们发现了能量最高(200 千电子伏特以上)的低频准周期振荡现象,而产生这个现象的源头就是喷流。可能小伙伴们又疑惑了,什么是低频准周期振荡现象?为什么产生它的源头是喷流?

      长话短说,低频准周期振荡现象就是“低频”+“准周期”+“振荡”+“现象”:“低频”的意思就是说还有高频,“准周期”就是说它不是精确的周期性的,“振荡”就是说会出现高低起伏的变化,“现象”意味着是我们能够观测到的。

      所以,低频准周期振荡(简称低频QPO)就是这样一类特殊的观测现象,它表现为一些黑洞双星的辐射强度会出现类似周期性的高低变化(见图2),而且这种变化却不是精确周期性的。这种变化的频率从几秒钟一次到1秒钟几十次。

      低频QPO发现于上世纪80年代,它在黑洞双星中普遍存在。关于它的物理起源,有些科学家认为,当伴星的物质被黑洞吸引,在旋转落向黑洞的过程中会形成吸积盘,而在这个过程中,吸积盘上可能会出现一些不稳定性,引起X射线辐射发生类似周期性的调制,产生低频QPO。

      而另外一些科学家认为,在靠近黑洞的地方,会有一团由热等离子体组成的结构,这个结构的内部可能会发生振荡,或者这个结构的指向可能会绕着黑洞的自转轴旋转(也就是发生进动),导致X射线辐射发生类似周期性的调制,产生低频QPO。

      图2. 低频QPO表现为亮度类似周期性的高低变化(图源:慧眼团队)

      那低频QPO怎么会和喷流联系起来呢?这团由等离子体组成的结构可能就是尺度比较小的喷流,这个喷流绕着黑洞旋转,形象地可以理解为随着黑洞一起摇摆。

      在摇摆的过程中,当喷流朝向我们时,我们看到的喷流就会亮一些,而当喷流远离我们的时候,看到的亮度就会暗一些。而且,喷流是绕着黑洞自转轴一圈又一圈地摇摆的,所以这种亮度变化是类似周期性的。可见低频QPO现象就自然产生了。

      视频2. 喷流摇摆产生低频QPO(来源:慧眼团队)

      这时,大家可能还有疑问,既然上面说到低频QPO可能来源于吸积盘,那为什么慧眼卫星看到的低频QPO就不会来自于吸积盘呢?因为它的能量实在是太高了,超过200千电子伏特!而吸积盘的温度最多也就几个千电子伏特。

      好了,今天关于喷流随着黑洞摇摆的故事就到这里了,最后还得感谢慧眼卫星,因为它对高能光子具有最强的收集能力,所以才让我们能够看到如此有趣的现象。


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