还活着!中英科学家再次听到超大黑洞“心跳”(组图)

2007年和2018年观察到的黑洞心跳示意图。

中国和英国的科学家称，他们再次监测到距离地球6亿光年远的一个超级黑洞的“心跳”。据中英科学家证实，10数年后这一黑洞的心跳仍然存在，并依然强健有力。

科学家首次发现这一黑洞的心跳是在2007年。这一黑洞位于距地球约6亿光年的一个名叫RE J1034+396星系的中心。

科学家十几年前第一次观测到这一黑洞“心跳”时，每隔一小时进行一次记录。2011年，由于观测卫星的视线受到太阳的遮挡，不得不放弃监测。

天文学家说，这是他们在黑洞中所观测到的历时最久的心跳。



用于观测黑洞心跳的欧洲空间局XMM-牛顿卫星示意图

何为黑洞“心跳”？

所谓黑洞“心跳”，指的是当物质落入黑洞，或者说当黑洞在吸入这些物质时会释放出巨大能量，同时伴有节奏性及周期性震荡信号，就仿佛是心跳一样。

当然，黑洞的心跳跟我们所理解的人的心跳完全不同。

黑洞心跳有助于科学家了解关于其体积大小，以及其周围空间的更多信息。

同时，通过研究黑洞每次跳动之间的间隔，科学家也可以掌握更多有关黑洞附近物质的信息，例如，它的大小等。


黑洞真有心跳吗？

黑洞心跳的意义

2018年，中国科学院国家天文台高能天体物理团组和英国杜伦大学的科学家们，利用欧洲空间局XMM-牛顿卫星（X射线天文卫星）重新找到了这颗黑洞的心跳。

经过详细的数据分析，这一跨国团队最终确认，RE J1034+396的X射线震荡信号仍然存在，并且比10年前更强了。

他们认为，这是目前观测到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。

中国方面的主要研究作者金驰川表示，最新发现证明，由超大质量黑洞产生的此类信号不仅强并且持久。

金驰川还表示，这为科学家提供了进一步研究这一心跳信号性质和起源的最佳机会。

据目前的科学理论认为，黑洞的引力非常强，以至于一切物质，包括光在内，一旦陷入其中就无法逃脱。

黑洞是具有无法想象的可怕力量的宇宙真空，仅银河系中就有大约1亿个黑洞。

科学家下一步要对他们的发现进行更深入的研究，并希望能够把它同我们星系的黑洞进行比较。

中国科学报:它还活着！时隔11年，科学家再次听到超大黑洞“心跳”


想听到一次黑洞的“心跳”有多难？如果你足够幸运的话，可能需要11年。

　　十几年前，天文学家首次发现了来自一个超大质量黑洞的X射线准周期震荡信号——黑洞的“心跳”。

　　十几年后，当天文学家再次有机会观测这个黑洞时，发现这个信号仍在持续。

　　这项研究由中国科学院国家天文台研究员金驰川团队主导，他们与英国杜伦大学等的研究人员合作，6月10日的《英国皇家天文学会月刊》发表了他们的研究成果。

黑洞视界附近物质分布想象图，以及XMM-Newton卫星在2007年和2018年分别观测到的X射线准周期震荡信号。图片来源：中科院国家天文台/美国宇航局　　黑洞视界附近物质分布想象图，以及XMM-Newton卫星在2007年和2018年分别观测到的X射线准周期震荡信号。图片来源：中科院国家天文台/美国宇航局

　　“这个心跳信号非常美秒！它首次证明来自超大质量黑洞的这类周期性信号可以长期保持稳定。”

　　金驰川认为，这种周期性的信号携带了关于黑洞视界附近的物质尺度和结构的关键信息，它能够为人们提供深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。

　　这个特殊的黑洞是一个距离地球6亿光年，具有200万个太阳质量的超大质量黑洞。

　　2007年，科学家利用欧洲宇航局的卫星，首次发现这个黑洞的X射线辐射具有一小时左右的周期性震荡信号。

　　可这之后后，由于该黑洞的视线方向离太阳太近，人们对其“心跳”的监测也停止了。

　　直到2018年，科学家们再次有机会对这个黑洞开展观测。

　　金驰川团队向欧洲宇航局和美国宇航局申请使用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列”卫星和“雨燕”卫星，对这个黑洞开展了联合观测，并于同年10月顺利完成了所有观测任务。

　　“经过详细的数据分析，我们最终确认，它的X射线震荡信号仍然存在，并且比10年前更强了。”

　　金驰川说，“这是目前观测到的超大质量黑洞‘心跳’信号的最长持续时间。”

　　尽管在宇宙中存在着大量具有百万甚至上亿个太阳质量的黑洞，但要捕捉它们的“心跳”却并不容易。

　　漂浮在星际空间中的物质会被黑洞的引力所俘获，在逐渐落入黑洞的过程中，会形成一个圆盘状的结构，并在黑洞周围很小的空间里释放大量的能量，从而产生很强的高能辐射，比如X射线。

　　但是，这种高能辐射的周期性重复信号却极少被发现。

　　目前已知的唯一一个能够产生类似心跳信号的黑洞，是一个位于银河系旋臂内的小黑洞。

　　它的质量仅为12个太阳质量，正快速地从其旁边的一颗恒星吸收物质，并以67赫兹左右的“心率”产生X射线心跳信号。

　　论文合作者之一、杜伦大学教授Chris Done说：“我们目前的理解是这种心跳信号源自黑洞视界附近高温物质的周期性结构变化过程。通过与此前那个小黑洞的对比，我们证明虽然不同类型的黑洞质量差别可达数十万倍以上，但它们在一些特殊行为的表现方面却非常类似。“

　　目前，该研究团队正对多颗卫星的数据进行深入分析，以期对该心跳信号的性质有更多了解，并与银河系内的小质量黑洞作对比，从而获得对黑洞视界附近的物理过程的更深刻理解。

　　金驰川认为，这个黑洞可以成为中国下一代X射线天文卫星，比如爱因斯坦探针卫星和eXTP卫星的重要观测目标之一。

相关报道：6亿光年外罕见的黑洞“心跳”，被中国科学家“听”到了


在距离地球6亿光年外，有一个相当于200万个太阳质量的超大质量黑洞——RE J1034+396。相比于其他黑洞，它拥有的一个罕见特征——拥有大约每小时一次的“心跳”。2007年，天文学家利用欧洲航天局的XMM-牛顿卫星在广阔宇宙中首次注意到它的“心跳”。这样的“心跳”有一个专业名称——X射线准周期振荡。在此之后，科学家又对它进行了3年的持续观测，但到了2011年，由于太阳的遮挡，人们不得不与它“告别”，对RE J1034+396“心跳”的监测中止了。

直到2018年，RE J1034+396再次出现在中国国家天文台、英国杜伦大学研究团队的视野中。他们也特别珍惜这次“久别重逢”，特地向欧洲航天局和美国航空航天局申请使用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列”卫星和“雨燕”卫星来观测RE J1034+396。这次，他们又有了一个惊人的发现：RE J1034+396不仅还在跳动，它的“心跳”信号更强了。这也是目前观测到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。最近，《英国皇家天文学会月刊》发表了他们的这一研究。



动图来源：Dr Frederic Vincent, Observatoire de Paris

值得一提的是，已经探测到的黑洞X射线准周期振荡非常罕见。另外两个具有“心跳”的黑洞，分别是于2011年发现，位于银河系旋臂内的小黑洞GRS1915+105；以及2016年由中国国家天文台在活动星系核1H 0707-495的X射线辐射中发现的高频准周期振荡信号。



动图来源：金驰川

这些令人惊喜的发现，也引出了一系列问题：黑洞的“心跳”是怎么产生的，是什么原因让它变得更强烈？此前的研究认为，黑洞的“心跳”应该和其附近的气体动力学过程相关。黑洞的吸积盘会不断吸引周围的物质，周围物质在接近黑洞时，会释放大量能量，产生X射线。X射线的周期性振荡，则可能源自事件视界附近高温物质的周期性结构变化。而关于黑洞“心跳”的具体原因，还有待进一步探究。论文通讯作者，国家天文台的金驰川研究员表示，这一信号首次证明来自超大质量黑洞的周期性信号可以长期保持稳定，并为我们提供了深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。

土星北极的风暴为什么是六边形？

土星是太阳系中的第二大行星，拥有美丽的冰环和至少82颗卫星。土星还是太阳系中风速最快（时速1800千米）的行星。在土星的赤道、南极和北极，时常会出现一些巨型风暴。

通过卡西尼号探测器，科学家看到了土星上最强烈的一次风暴。这场风暴一度席卷整个土星，肆虐了整整200天。下面的事实或许更能让人体会其威力：这些风暴形成前的乌云，就和地球一样大小。在土星北极出现的六角巨型风暴，更是足以吞噬2个地球。



图片来源：NASA/JPL-Caltech/SSI

在这些剧烈的风暴之下，科学家一直在思考一个问题：为什么土星北极出现的风暴是六边形的？当这一现象在1981年被首次发现后，科学家就一直试图解释其中的原因。最近，哈佛大学的研究人员发表于《美国科学院院刊》的文章，给出了他们的解释。

对于六边形风暴，此前有两种猜想：一种认为风暴的深度只有数百千米，此时大气压强大约为10倍地球标准大气压；另一种观点认为风暴源自数千千米深的纬向环流（zonal jets），这时的压强是前一种情况的数万倍。

卡西尼号在结束使命之前，曾观测到土星的纬向环流可以延续到压强相当于至少10万倍地球标准大气压的区域，这无疑为第二种猜想提供了可能。





动图来源：Yadav and Bloxham, PNAS, 2020

基于上述观测，研究人员构建3D模型来模拟土星六边形风暴是如何形成的。模型中，土星外层大气的热对流可以同时产生极地的巨型气旋、纬向环流以及向东的高纬度急流。模型呈现的纬向环流与实际观测非常相似，显示出模型的可靠性。而当极地气旋与向东的急流“拧”在一起，形成了风暴。虽然大气深处的气旋可以保持稳定，但浅层大气中的不稳定性使得风暴看起来更像是多边形。

虽然仍然无法完美地解释六角风暴形成的原因，但当有更多的观测数据时，我们将能更接近事实。 阅读原文