麻省理工学院（MIT）的天文学家们一直被一个位于2.7亿光年外的超大质量黑子的奇怪行为所吸引。最近，它又表现出另一种奇特的现象： X 射线发射从每 18 分钟一次加速到每 7 分钟一次，这很可能是由在事件穹界边缘徘徊的白矮星引起的。
在这幅艺术家绘制的效果图中，物质流沿着白矮星运行，白矮星位于 1ES 1927 超大质量黑洞周围最内层的吸积盘中。 图片来源：NASA/Aurore Simonnet，索诺玛州立大学
一个超大质量黑洞多年来一直以其不同寻常的戏剧性行为吸引着天文学家。 首先，它的日冕--一团高温旋转的等离子体--突然消失，震惊了研究人员，但几个月后又重新出现。 现在，它又出现了一个更加令人费解的现象：一种岌岌可危而又耐人寻味的旋转行为。
这个黑洞被称为1ES 1927+654，质量大约是太阳的一百万倍，位于2.7亿光年外的一个星系中。 2018年，麻省理工学院和其他机构的科学家观测到了日冕出人意料的消失行为，这在黑洞研究中尚属首次。
最近，同一个黑洞又表现出了另一种前所未有的行为，进一步加深了这个宇宙巨行星的神秘性。
天文学家探测到来自黑洞的 X 射线闪烁在持续增加。 在两年的时间里，这种毫赫兹频率的闪烁从每18分钟一次增加到了每7分钟一次。 在此之前，黑洞从未出现过这种X射线急剧加速的现象。
研究人员探讨了多种可能解释这种闪光的情况。 他们认为最有可能的罪魁祸首是一颗正在旋转的白矮星--它是一颗死星极其紧凑的内核，正围绕着黑洞运行，岌岌可危地接近黑洞的事件穹界。 如果是这样的话，那么白矮星一定是在完成一个令人印象深刻的平衡动作，因为它可能会直接接近黑洞的边缘，而不会真的掉进去。
天文学家提出这一设想，是为了解释欧空局（ESA）XMM-牛顿卫星探测到的快速X射线振荡的演变过程。 欧空局的 LISA 任务将于下一个十年发射，它应该能够通过探测白矮星产生的引力波来确认它的存在。 图片来源：NASA/Aurore Simonnet，索诺玛州立大学
麻省理工学院物理学研究生梅根-马斯特森（Megan Masterson）说："这将是我们所知道的任何黑洞周围最接近的东西，"她是这一发现的共同负责人。"这告诉我们，像白矮星这样的天体可能能够在非常接近事件穹界的地方生活相对较长的一段时间。"
研究人员在美国天文学会第245次会议上公布了他们的发现。
如果白矮星是黑洞神秘闪光的根源，那么它也会发出引力波、 欧洲航天局的激光干涉仪空间天线（LISA）等下一代天文台可以探测到的范围。
"这些新探测器的设计目的是探测分钟级的振荡，因此这个黑洞系统正处于这个甜蜜点上，"合著者、麻省理工学院物理学副教授艾琳-卡拉（Erin Kara）说。
该研究的其他合著者包括麻省理工学院卡弗里（Kavli）成员克里斯托斯-帕纳吉奥托（Christos Panagiotou）、乔欣-查克拉博蒂（Joheen Chakraborty）、凯文-伯奇（Kevin Burdge）、里卡多-阿科迪亚（Riccardo Arcodia）、罗纳德-雷米拉（Ronald Remillard）和王静怡，以及来自其他多个机构的合作者。
卡拉和马斯特森是 2018 年观测 1ES 1927+654 的团队成员之一，当时黑洞的日冕变暗，然后随着时间的推移慢慢重建。 有一段时间，新重建的日冕--一团高能等离子体和X射线--是天空中最亮的X射线发射物体。
"它仍然非常明亮，尽管几年来它没有任何新的表现，有点潺潺流水的感觉。 但我们觉得我们必须继续监测它，因为它太美了，"卡拉说。"然后我们注意到了一些以前从未见过的东西。"
2022年，研究小组查看了欧洲航天局XMM-牛顿天文台对黑洞的观测数据，该天文台可以探测和测量来自黑洞、中子星、星系团和其他极端宇宙源的X射线辐射。 他们注意到，来自黑洞的 X 射线似乎以越来越高的频率脉冲。 这种"准周期振荡"只在少数其他超大质量黑洞中观测到过，在这些黑洞中，X射线闪烁的频率是有规律的。
1ES 1927+654 的射电图像显示，在一次强烈的射电耀斑之后，该星系中央黑洞两侧似乎出现了等离子体喷流。 第一张照片拍摄于2023年6月，没有喷流的迹象，可能是因为高温气体遮挡了它的视线。 然后，从2024年2月开始，这些特征出现并向远离星系中心的方向扩展，从每个结构的中心测量，总距离约为半光年。 资料来源：NSF/AUI/NSF NRAO/Meyer at al.
在 1ES 1927+654 的案例中，闪烁的频率似乎在稳步上升，在两年的时间里从每 18 分钟一次上升到每 7 分钟一次。
马斯特森说："我们从未见过这种闪烁速度的剧烈变化。这看起来完全不像一个正常的超大质量黑洞。"
在 X 射线波段探测到闪光这一事实表明，光源极有可能就在非常靠近黑洞的某个地方。 黑洞的最内层是能量极高的环境，X 射线是由快速移动的高温等离子体产生的。 在较远的距离则不太可能看到 X 射线，因为气体在吸积盘中的循环速度较慢。 吸积盘中较冷的环境可以发出光学光和紫外线，但很少发出X射线。
"在X射线中看到一些东西就已经说明你离黑洞很近了，"卡拉说："当你看到以分钟为时间尺度的变化时，那就接近事件视界了，你首先想到的是圆周运动，以及是否有什么东西在围绕黑洞运行。"
据研究人员估计，产生 X 射线闪光的黑洞距离事件视界只有几百万英里。
马斯特森和卡拉探索了各种天体物理现象的模型，这些模型可以解释他们观测到的 X 射线模式，包括一种与黑洞日冕有关的可能性。
马斯特森说："有一种想法是，这个日冕正在振荡，也许是来回膨胀，如果它开始缩小，随着尺度变小，这些振荡会变得更快。但我们对日冕振荡的了解还处于非常初级的阶段。"
另一种有希望的情况，也是科学家们在物理学方面掌握得更好的一种情况，与白矮星的敢死队有关。 根据他们的建模，研究人员估计白矮星的质量可能只有太阳的十分之一。 相比之下，超大质量黑洞本身的质量约为一百万个太阳质量。
当任何天体如此接近超大质量黑洞时，都会发出引力波，将天体拖向黑洞。 当白矮星绕圈靠近黑洞时，它的移动速度就会加快，这就可以解释为什么研究小组观测到的X射线振荡频率越来越高。
据估计，这颗白矮星距离事件视界只有几百万英里。 不过，研究人员预测这颗恒星不会坠落。 虽然黑洞的引力可能会把白矮星向内拉，但恒星也会把它的部分外层脱落到黑洞中。 这种脱落就像一个小的回力，使白矮星--一个本身就非常紧凑的天体--能够抵御黑洞边界的穿越。
卡拉说："由于白矮星又小又紧凑，它们很难被撕碎，所以它们可以非常接近黑洞。如果这种情况是正确的，那么这颗白矮星正好处于转折点，我们可能会看到它越来越远。"
研究小组计划利用现有和未来的望远镜继续观测该系统，以便更好地了解黑洞最内部环境中的极端物理现象。 一旦天基引力波探测器LISA发射升空（目前计划在2030年代中期发射），他们将对该系统的研究感到特别兴奋，因为该系统发出的引力波将处于LISA能够清晰探测到的最佳位置。
马斯特森说："我从这个信息源中学到的一件事就是，永远不要停止观察它，因为它可能会给我们带来新的启示。下一步就是睁大眼睛。"
编译自/ScitechDaily