新方法测黑洞质量:“进食”的黑洞质量与吸积盘亮度闪烁有关

一项最新研究发现:积极“进食”的超大质量黑洞吸积盘的亮度闪烁与该黑洞的质量有关。“质量是黑洞最重要的物理量。了解黑洞的质量对于其他研究的开展非常重要,比如黑洞形成、黑洞对宿主星系的影响等。”研究人员Colin Burke对记者表示。
尽管天文学家已经有一些方法来间接获取黑洞的质量,但这些方法都有所局限。比如,通常只能用在距离地球近(约几千万秒差距,1秒差距=3.2616光年)的天体上,还需要非常特殊的条件(例如有非常密集的分子气体盘围绕黑洞运行等),或需要大量的望远镜观测时间。此外,使用这种方法测量较暗的吸积盘也很困难。 
在这项最新研究中,研究人员发现,吸积盘发出的闪烁光芒可以揭示其中心的超大质量黑洞的质量。这一发现提供了一种用光学观测来了解超大质量黑洞质量的新方法,而且这种技术不仅适用于黑洞,也适用于某些小而致密的天体,如白矮星。
该研究于北京时间8月13日发布在国际知名学术期刊《Science》上,论文标题为《A characteristic optical variability timescale in astrophysical accretion disks》。研究团队来自美国伊利诺伊大学、伊利诺伊州宇宙高级研究中心、加州大学等机构,通讯作者为伊利诺伊大学天文系教授沈悦,第一作者为伊利诺伊大学天文学研究生 Colin Burke。
超大质量黑洞(Supermassive black hole)具有数百万到数十亿倍太阳质量,通常位于大质量星系的中心。当它们处于休眠状态且不“食用”周围的气体和恒星时,它们发出的光很少;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。
“超大质量黑洞是宇宙中最极端的物体,也是检验基本理论的伟大实验室。研究它们在宇宙时间内的物理和演化,不仅对增加我们的物理知识很重要,而且对理解大爆炸以来宇宙结构(如恒星、行星、星系和黑洞)的出现也很重要。”沈悦 对记者表示。
研究表示,早期宇宙中,当超大质量黑洞快速增长时,它们会快速积极地“进食”(吸积)物质。黑洞周围会形成由气体、星尘和等离子体组成的盘状结构——吸积盘。当吸积盘的物质向黑洞坠落时,吸积盘的气体因粘度而减速而达到高温,散发出大量辐射光,包括可见光、紫外线和X射线。
虽然这些吸积盘(不会比太阳系大多少)比它们整个宿主星系小得多,但它们的亮度常常超过整个星系其他部分的亮度。吸积盘的光并不是恒定的,由于某种未知的物理过程,光在数小时到数十年的时间尺度上显示出“闪烁”。 
“有许多研究探讨了观察到的闪烁与超大质量黑洞质量之间可能的关系,但结果尚无定论,有时还存在争议。”Burke表示。
此项研究中,该团队测量了 67 个得到仔细观测的活跃星系的超大质量黑洞的辐射光通量变化,来确定亮度波动明显变小的时间尺度(被称为“阻尼”时间尺度)。他们发现,该时间尺度与大质量黑洞的质量有很大的相关性。研究人员随后将结果与吸积的白矮星进行了比较,发现白矮星也存在同样的时间尺度与质量的关系。
研究人员表示,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。 
“过去,测黑洞质量需要光谱学。但这种测量起来较困难,尤其是对于对小的超大质量黑洞,它们不是很亮。通过光学观测望远镜,比如鲁宾天文台,我们就可以直接用光度曲线来测量各种正在吸积的黑洞的质量。”Burke表示。
对于吸积的超大质量黑洞,光的变化模式从短时间尺度变为长时间尺度。这种模式的转变发生在一个特征时间尺度上,对于质量更大的黑洞来说,该时间尺度更长。
“这些结果表明,吸积过程中光的闪烁是普遍的,无论其中心是超大质量黑洞还是质量较轻的白矮星。”沈悦表示。
有一种黑洞叫做中等质量黑洞(intermediate-mass black hole),它的质量约为太阳质量的100到100000倍。人们预计在宇宙历史中有大量中等质量黑洞形成,它们可能为之后的超大质量黑洞提供必要的种子。然而,从观察上看,这种黑洞让人难以捉摸。只有一种确认的中等质量黑洞,其质量约为太阳质量的150倍。它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。
“我们希望此项研究能够用于发现一个正在增长的中等质量黑洞——它是恒星级黑洞和超大质量黑洞中间缺失的一环。”Burke表示。
“这种新的测量方法非常实用。即将会有大量的天文数据,我们可以用来在未来5 - 10年进行大量的测量。”沈悦表示。(2023 年底,智利鲁宾天文台将开启观测,并收集数十亿个物体的闪烁数据。)
提及了解黑洞对人类的意义,沈悦表示,“首先,我认为这满足人类好奇心的天性,了解宇宙的运作(黑洞是我们所知道的最神秘的物体之一)。第二,通过了解黑洞相关的过程,我们可以增加其他实用知识,例如,能量是如何在极端的重力、温度和密度的环境中产生的。”

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