新〖xin〗方【fang】式测黑洞质量:“进食”的黑洞质『zhi』量与吸“xi”积盘『pan』亮度闪灼有关

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“质量是黑洞最主要的物理量。领会黑洞的质量对于其他研究的开展异常主要,好比黑洞形成、黑洞对宿主星系的影响等。”研究职员Colin Burke对汹涌新闻(www.thepaper.cn)记者示意。

只管天文学家已经有一些方式来间接获取黑洞的质量,但这些方式都有所局限。好比,通常只能用在距离地球近(约几万万秒差《cha》距,1秒差距=3.2616光年)的天体上,还需要“yao”异常特殊的条件(例若有异常麋集的分子气体盘围绕黑洞(dong)运行等),或需要大量的望远镜观察时间。此外,使用这种方式丈量较暗的吸积盘也很难题。

在这项最新研究中,研究职员发现,吸积盘发出的闪灼光泽可以展『zhan』现其「qi」中央的超大质量黑洞的质量。这一发现提供了一种用光学观察来领会超大质量黑洞质量的新方式,而且这种手艺不仅适用于黑洞,也适用于某些小而致密的天体,如白矮星。

该研究于北京时间8月13日宣布在国际着名学术期刊《Science》上,论文题目为《A characteristic optical variability timescale in astrophysical accretion disks》。研究团队来自美国伊利诺伊大学、伊利诺伊州宇宙高级研究中央、加州大学等机构,通讯作者为伊利诺伊大学天文系教授沈悦,第一作者为伊利诺伊大学天文学研究生 Colin Burke。

超大质量黑洞(Supermassive black hole)具有数百万到数十亿倍太阳质量,通常位于大质量星系的中央。当它们处于休眠状态且不“食用”周围的气体和恒星时,它们发出的光很少;天文学家探{tan}测它们的唯一方式是通过它们对周围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,也是磨练基本理论的伟大实验室。研究它们在宇宙时间内的物理和演化,不仅对增添我们的物理知识很主要,而且对明白大爆炸以来宇宙结构(如恒星、行星、星〖xing〗系和黑洞)的泛起也很主要。”沈悦 对汹涌新闻(www.thepaper.cn)记者示意。

研究示意,早期宇宙中,当超大质量黑洞快速增进时,它们会快速起劲地“进食”(吸积)物质。黑洞周围会形成由气体、星尘和等离子体组成的盘状结构——吸积盘。当吸积盘的物质向黑洞坠落时,吸积盘的气体因粘度而减速而到达高温,散发出大量辐射光,包罗可见光、紫外线和X射线。

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虽然这些吸积盘(不会比太阳系大若干)比它们整个宿主星系小得多,但它们的亮度经常跨越整个星系其他部门的亮度。吸积盘的光并不是恒定的,由于某种未知的物(wu)理历程,光在数小时到数十年的时间尺度上显示出“闪灼”。

“有许多研究探讨了考察到的闪灼与超大质(zhi)量黑洞质量之间可能的关系,但效果尚无定论,有时还存在争议。”Burke示意。

此项研究中,该团队丈量了 67 个‘ge’获得仔细观察的活跃星系的超大质量黑洞{dong}的辐射光通量转变,来确定亮度颠簸显著变小的时间尺度(被称为“阻尼”时间尺度)。他们发现,该时间尺度与大质量黑洞的质量有很大的相关性。研究职员随后将效果与《yu》吸积的白矮星举行了对照,发现白矮星也存在同样的时间尺度与质量的关系。

研究职 zhi[员示意,闪灼的光是黑洞“进食”历程中的随机颠簸。天文学家可以通过丈量作为时间尺度函数的可变性的 de[气力来量化这种闪灼模式。

“已往,测黑洞质量需要光谱学。但这种丈量起来较难题,尤其是对于对小的超大质量黑洞,它们不是很亮。通过光学观察望远镜,好比鲁宾天文台,我们“men”就可以直接用光度曲线来丈量种种正在吸积的黑洞的质量。”Burke示意。

对于吸积的超大质 zhi[量黑洞,光的转变模式从短时间尺度变为长时间尺度。这种模式{shi}的转变发生在一个特征时间尺度上,对于质量更大的黑洞来说,该时间尺度更长。

“这些效果解释,吸积历程中光的闪灼是普“pu”遍的,无论其中央是超大质量黑洞照样质量较轻的白矮星。”沈悦示意。

有一种黑洞叫做中等质量黑洞(intermediate-mass black hole),它的质量约为太阳质量的100到100000倍。人们预计在宇宙历史中有大量中【zhong】等质量黑洞形成,它们可能为之后的超大质量黑洞提供需要的种子。然而,从考察上看,这种黑洞让人难以捉摸。只有一种确认的中等质量黑洞,其质量约为太阳质量的150倍。它是由两个质量较小的黑洞合并发生的引力波辐射有时发现的“de”。

“我们希望此项研究能够用于发现一个正在增进的中等质量黑洞——它是恒星级黑洞和超大质量黑洞中央缺失的一环。”Burke示意。

“这种新的丈量方式异常适用。即将会有大量的天文数据,我们可以用来在未来5 - 10年举行大量的丈量。”沈悦示意。(2023 年底,智利鲁宾天文台将开启观察,并网络数十亿个物体的闪灼数据。)

提及领会黑洞对人类的意义,沈悦示意,“首先,我以为这知足(zu)人类好奇心的天性,领会宇宙的运作(黑洞是我们所知道的最神秘的物体之一)。第二,通过领会黑洞相关的历程,我们可以增添其他适用知识,例如,能量是若何在极端的重力、温‘wen’度和密度的环境中发生的。”

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