本报见习记者刘航
最近一项研究发现，主动“吞噬”的超大质量黑洞吸积盘的亮度闪烁与黑洞的质量有关。
“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非常重要，例如黑洞的形成以及黑洞对宿主星系的影响。”研究员科林·伯克在www.thepaper.cn对记者说。
虽然天文学家有一些方法可以间接获得黑洞的质量，但是这些方法都有局限性。比如通常只能用在离地球很近的天体上(大约几千万秒差距，1秒差距=3.2616光年)，需要非常特殊的条件(比如非常致密的分子气体盘绕黑洞运行等)。)，或者需要大量的望远镜观测时间。此外，用这种方法很难测量暗吸积盘。
在这项最新研究中，研究人员发现吸积盘发出的闪光可以揭示其中心超大质量黑洞的质量。这一发现为通过光学观测了解超大质量黑洞的质量提供了新的途径，而且这一技术不仅适用于黑洞，还适用于一些小而密的天体，比如白矮星。
该研究于北京时间8月13日发表在国际知名学术期刊《科学》上，论文标题为《天体物理吸积盘中的特征光变时标》。研究团队来自伊利诺伊大学、伊利诺伊宇宙高级研究中心、加州大学等机构。通讯作者是伊利诺伊大学天文学教授沈约，第一作者是伊利诺伊大学天文学研究生科林·伯克。
超大质量黑洞的质量是太阳的几百万到几十亿倍，通常位于大质量星系的中心。当它们处于休眠状态，没有“吃掉”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，也是检验基础理论的伟大实验室。研究它们在宇宙时间中的物理和演化，不仅对增加我们的物理知识很重要，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。”www.thepaper.cn报纸记者沈约说。
研究表明，在宇宙早期，超大质量黑洞快速增长时，会快速、主动地“吃”(吸积)物质。在黑洞周围，会形成一个由气体、星尘和等离子吸积盘组成的盘状结构。当吸积盘中的物质落到黑洞中时，吸积盘中的气体由于粘性而减速并达到高温，发出大量辐射，包括可见光、紫外光和X射线。
虽然这些吸积盘(并不比太阳系大多少)比它们的整个宿主星系小得多，但它们的亮度往往超过星系的其他部分。吸积盘的光不是恒定的。由于某种未知的物理过程，光线在几个小时到几十年的时间尺度上显示出“闪烁”。
“许多研究探索了观测到的闪烁与超大质量黑洞质量之间的可能关系，但结果并不确定，有时还存在争议。”伯克说。
在这项研究中，研究小组测量了仔细观察的67个活动星系中超大质量黑洞的光通量变化，以确定亮度波动明显变小的时间尺度(被称为“阻尼”时间尺度)。他们发现这个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白矮星进行了比较，发现白矮星也具有相同的时间尺度和质量关系。
研究人员表示，闪烁的光是黑洞“吞噬”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来量化这种闪烁模式。
“过去，测量黑洞的质量需要光谱学。但是这种测量很难，特别是对于小的超大质量黑洞，它们不是很亮。通过光学观测望远镜，如鲁宾天文台，我们可以用光度曲线直接测量各种吸积黑洞的质量。”伯克说。
对于吸积超大质量黑洞，光的变化模式从短时间尺度变为长时间尺度。这种模式转换发生在一个特征时间尺度上，对于质量较大的黑洞来说，这个时间尺度更长。
“这些结果表明，光的闪烁在吸积过程中是常见的，无论其中心是超大质量黑洞还是亮白矮星。”沈约说。
有一种黑洞叫做中等质量黑洞，它的质量大约是太阳的100到10万倍。预计宇宙历史上将形成大量中等质量黑洞，这可能为未来超大质量黑洞提供必要的种子。然而，从观测的角度来看，这个黑洞是难以捉摸的。目前确认的中等质量黑洞只有一个，质量约为太阳的150倍。它是由两个小质量黑洞合并产生的引力波辐射偶然发现的。
“我们希望这项研究可以用来发现一个不断增长的中等质量黑洞——它是恒星级黑洞和超大质量黑洞之间缺失的一环。”伯克说。
“这种新的测量方法非常实用。很快就会有大量的天文数据，我们可以利用这些数据在未来5-10年内进行大量的测量。”沈约说。(2023年底，智利鲁宾天文台将开始观测，收集数十亿个天体的闪烁数据。)
提到理解黑洞对人类的意义，沈约说，“首先，我认为它满足了人类好奇心的天性，理解了宇宙的运行(黑洞是我们所知道的最神秘的物体之一)。第二，通过了解与黑洞相关的过程，我们可以增加其他实用知识，例如，在极端重力、温度和密度的环境中，能量是如何产生的。”
责任编辑:李跃群
校对:丁晓
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