中國科學(xué)家“聽”見6億光年外的黑洞“心跳”

圖片來源：金馳川、NASA戈達(dá)德太空飛行中心

在距離地球6億光年外，有一個(gè)相當(dāng)于200萬個(gè)太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞——RE J1034+396。相比于其他黑洞，它擁有的一個(gè)罕見特征——擁有大約每小時(shí)一次的“心跳”。

2007年，天文學(xué)家利用歐洲航天局的XMM-牛頓衛(wèi)星在廣闊宇宙中首次注意到它的“心跳”。這樣的“心跳”有一個(gè)專業(yè)名稱——X射線準(zhǔn)周期振蕩。在此之后，科學(xué)家又對(duì)它進(jìn)行了3年的持續(xù)觀測(cè)，但到了2011年，由于太陽的遮擋，人們不得不與它“告別”，對(duì)RE J1034+396“心跳”的監(jiān)測(cè)中止了。

直到2018年，RE J1034+396再次出現(xiàn)在中國國家天文臺(tái)、英國杜倫大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的視野中。他們也特別珍惜這次“久別重逢”，特地向歐洲航天局和美國航空航天局申請(qǐng)使用XMM-牛頓衛(wèi)星、“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”衛(wèi)星和“雨燕”衛(wèi)星來觀測(cè)RE J1034+396。這次，他們又有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：RE J1034+396不僅還在跳動(dòng)，它的“心跳”信號(hào)更強(qiáng)了。這也是目前觀測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞心跳信號(hào)的最長持續(xù)時(shí)間。最近，《英國皇家天文學(xué)會(huì)月刊》發(fā)表了他們的這一研究。

動(dòng)圖來源：Dr Frederic Vincent, Observatoire de Paris

值得一提的是，已經(jīng)探測(cè)到的黑洞X射線準(zhǔn)周期振蕩非常罕見。另外兩個(gè)具有“心跳”的黑洞，分別是于2011年發(fā)現(xiàn)，位于銀河系旋臂內(nèi)的小黑洞GRS1915+105；以及2016年由中國國家天文臺(tái)在活動(dòng)星系核1H 0707-495的X射線輻射中發(fā)現(xiàn)的高頻準(zhǔn)周期振蕩信號(hào)。

動(dòng)圖來源：金馳川

這些令人驚喜的發(fā)現(xiàn)，也引出了一系列問題：黑洞的“心跳”是怎么產(chǎn)生的，是什么原因讓它變得更強(qiáng)烈？此前的研究認(rèn)為，黑洞的“心跳”應(yīng)該和其附近的氣體動(dòng)力學(xué)過程相關(guān)。黑洞的吸積盤會(huì)不斷吸引周圍的物質(zhì)，周圍物質(zhì)在接近黑洞時(shí)，會(huì)釋放大量能量，產(chǎn)生X射線。X射線的周期性振蕩，則可能源自事件視界附近高溫物質(zhì)的周期性結(jié)構(gòu)變化。而關(guān)于黑洞“心跳”的具體原因，還有待進(jìn)一步探究。論文通訊作者，國家天文臺(tái)的金馳川研究員表示，這一信號(hào)首次證明來自超大質(zhì)量黑洞的周期性信號(hào)可以長期保持穩(wěn)定，并為我們提供了深入研究其物理機(jī)制和起源的重要線索和絕佳機(jī)會(huì)。

土星北極的風(fēng)暴為什么是六邊形？

土星是太陽系中的第二大行星，擁有美麗的冰環(huán)和至少82顆衛(wèi)星。土星還是太陽系中風(fēng)速最快（時(shí)速1800千米）的行星。在土星的赤道、南極和北極，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些巨型風(fēng)暴。

通過卡西尼號(hào)探測(cè)器，科學(xué)家看到了土星上最強(qiáng)烈的一次風(fēng)暴。這場(chǎng)風(fēng)暴一度席卷整個(gè)土星，肆虐了整整200天。下面的事實(shí)或許更能讓人體會(huì)其威力：這些風(fēng)暴形成前的烏云，就和地球一樣大小。在土星北極出現(xiàn)的六角巨型風(fēng)暴，更是足以吞噬2個(gè)地球。

圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SSI

在這些劇烈的風(fēng)暴之下，科學(xué)家一直在思考一個(gè)問題：為什么土星北極出現(xiàn)的風(fēng)暴是六邊形的？當(dāng)這一現(xiàn)象在1981年被首次發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家就一直試圖解釋其中的原因。最近，哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》的文章，給出了他們的解釋。

對(duì)于六邊形風(fēng)暴，此前有兩種猜想：一種認(rèn)為風(fēng)暴的深度只有數(shù)百千米，此時(shí)大氣壓強(qiáng)大約為10倍地球標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為風(fēng)暴源自數(shù)千千米深的緯向環(huán)流（zonal jets），這時(shí)的壓強(qiáng)是前一種情況的數(shù)萬倍。

卡西尼號(hào)在結(jié)束使命之前，曾觀測(cè)到土星的緯向環(huán)流可以延續(xù)到壓強(qiáng)相當(dāng)于至少10萬倍地球標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的區(qū)域，這無疑為第二種猜想提供了可能。

動(dòng)圖來源：Yadav and Bloxham, PNAS, 2020

基于上述觀測(cè)，研究人員構(gòu)建3D模型來模擬土星六邊形風(fēng)暴是如何形成的。模型中，土星外層大氣的熱對(duì)流可以同時(shí)產(chǎn)生極地的巨型氣旋、緯向環(huán)流以及向東的高緯度急流。模型呈現(xiàn)的緯向環(huán)流與實(shí)際觀測(cè)非常相似，顯示出模型的可靠性。而當(dāng)極地氣旋與向東的急流“擰”在一起，形成了風(fēng)暴。雖然大氣深處的氣旋可以保持穩(wěn)定，但淺層大氣中的不穩(wěn)定性使得風(fēng)暴看起來更像是多邊形。

雖然仍然無法完美地解釋六角風(fēng)暴形成的原因，但當(dāng)有更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，我們將能更接近事實(shí)。