超大質量黑洞現神秘X光振盪 挑戰科學家既有認知

2018年，天文學家觀測到，位於約2.7億光年外星系中，一個質量為140萬倍太陽質量、正積極吸積物質的黑洞1ES 1927+654的日冕，突然消失不見，數月後又重新組合。這短暫卻戲劇性的中斷，在黑洞天文學領域尚屬首次。如今，使用歐洲太空總署（ESA）XMM-牛頓天文臺的天文學家，捕捉到同一個黑洞展現出更多前所未有的行為。他們探測到，來自1ES 1927+654的X光閃爍頻率穩步增加；在兩年的時間裡，以毫赫茲振盪的閃爍頻率，從每18分鐘一次增加到每7分鐘一次。直到現在，從未在黑洞中見過如此劇烈的X光加速現象。

在這幅藝術概念圖中，物質從一顆在1ES 1927+654超大質量黑洞最內層吸積盤內執行的白矮星（右下的球體）上被剝離。圖片出處：美國國家航空暨太空總署（NASA）/ 索諾馬州立大學的Aurore Simonnet

黑洞是愛因斯坦廣義相對論的預測產物。它們是引力強大的怪物，任何穿越其「表面」（時空的一個區域，稱為事件視界）的物質或能量，都會被囚禁其中。

在物質最終墜入黑洞的過程（稱為吸積）中，註定要被吞噬的物質會在黑洞周圍形成一個盤狀結構。吸積盤中的氣體受熱，主要發出紫外線（UV）光。

紫外線與圍繞黑洞和吸積盤的一團帶電氣體（即等離子體）相互作用。這團氣體被稱為日冕，相互作用為紫外線提供能量，使其提升為X光，而XMM-牛頓天文臺可以捕捉到這些X光。

自2011年以來，XMM-牛頓天文臺一直在觀測1ES 1927+654。那時，一切都很正常。

但在2018年，情況發生了變化——這個黑洞發生了一次大爆發，似乎擾亂了它的周圍環境，因為X光日冕消失了。

日冕逐漸恢復，到2021年初，似乎一切又恢復了正常。

然而，在2022年7月，XMM-牛頓天文臺開始觀測到，X光輻射量在400到1000秒的時間尺度上，以大約10%的幅度變化。

這種型別的變化被稱為準週期振盪（QPO），在超大質量黑洞中極難被探測到。

麻省理工學院（MIT）的博士生梅根·馬斯特森（Megan Masterson）表示：「這是第一個跡象，顯示有奇怪的事情正在發生。」

這些振盪可能表明，有一個巨大的物體，比如一顆恆星，嵌入在吸積盤中，正快速圍繞黑洞執行，最終將被黑洞吞噬。

隨著物體越靠近黑洞，其執行一週所需的時間就會減少，導致振盪頻率增加。

計算結果顯示，這個執行的物體可能是一顆被稱為白矮星的恆星屍骸，質量大約是太陽的0.1倍，正以驚人的速度執行。

它大約每18分鐘就繞這個巨大的黑洞執行一圈，行程約1億公里。然而，事情變得更加離奇。

在近兩年的時間裡，XMM-牛頓天文臺發現，振盪的強度和頻率都在增加，但並非如研究人員所預期的那樣。

他們原本假設，根據廣義相對論，物體的軌道能量會以引力波的形式釋放。

為了驗證這個想法，他們計算出這個物體何時會穿過事件視界，從視野中消失，以及振盪何時會停止——結果是2024年1月4日。

麻省理工學院的艾琳·卡拉（Erin Kara）博士表示：「在我的職業生涯中，從未如此精準地做出過預測。」

2024年3月，XMM-牛頓天文臺再次觀測——振盪仍然存在。

此時，這個物體的執行速度已達到光速的一半左右，每7分鐘就完成一次繞行。

不管吸積盤中有什麼，它都頑固地拒絕被黑洞吞噬。

要麼是除了引力波之外，還有其他因素在起作用，要麼就是整個假設需要修改。

天文學家們還考慮了振盪起源的另一種可能性。

回想起2018年X光日冕的消失，他們懷疑這團氣體本身是否可能在振盪。

問題在於，目前還沒有成熟的理論可以解釋這種行為。由於沒有明確的方向可以深入研究這個想法，他們又回到了最初的模型，並意識到有一種方法可以對其進行修改。

馬斯特森表示：「如果這個黑洞真的有一顆白矮星伴星，它產生的引力波將能被LISA探測到。LISA是歐洲太空總署與美國國家航空暨太空總署合作的一項任務，預計將在未來十年內發射。」

研究團隊的論文將發表在《自然》期刊上。

梅根·馬斯特森等人，2025年。超大質量黑洞最內層軌道附近的毫赫茲振盪。《自然》，待發表；arXiv: 2501.01581