我们“实时”观测了黑洞的再次爆发

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翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

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35年以来，IC 3599星系中心的黑洞已经爆发三次了。这第三次，天文学家密切地观测了它。IC 3599，离我们大约2.8亿光年外的一个星系，在1990年2010年都曾激烈地爆发过，我们只能在事件发生后拼凑出它们的样子。这次是研究人员第一次能够及时地在爆发发生时观察它。研究论文讲述了对它的多波长分析，7月10日发表在arXiv 预印本服务器。

因为这些爆发一再发生，我们自然会想知道它发生的原因。争论在于，这些巨爆到底源于吸积盘本身的不稳定，还是由黑洞撕扯恒星这样的潮汐扰动事件导致的。

“神速”的Swift观测

在IC 3599的黑洞于1990年和2010年爆发之后，2013年开始，天文学家们用格雷尔斯雨燕天文台（简称Swift）*每月对它做一次观测。2025年10月，数据显示IC 3599比它平常的“低落”状态要亮50倍。为了深入调研，北肯塔基大学的Grupe博士领导的研究小组使用Swift、XMM牛顿望远镜*和利克天文台*、兴隆观测站*还有高加索山天文台（CMO）*的地面望远镜继续做了观测。

*雨燕天文台是一颗专门用于观测伽玛射线暴的天文卫星，由美国、英国、意大利共同研制，由美国国家航空航天局2004年发射，工作在伽玛射线、X射线、紫外线以及可见光多个波段。

*XMM牛顿望远镜是欧洲空间局1999年发射的一颗X射线天文卫星，具有极高的谱分辨本领。

*利克天文台是世界上首个建于山顶的永久性台址，使用美国富豪詹姆斯·利克的遗产建造，位于美国加利福尼亚州圣荷西市东部的汉密尔顿山山顶，海拔约1283米。

*中国国家天文台兴隆观测基地隶属于中国科学院国家天文台光学开放实验室，位于中国河北省承德市兴隆县燕山主峰南麓，海拔960米。

*高加索山天文台是由莫斯科国立大学斯特恩伯格天文研究所于2014年建立的一座高海拔天文研究设施，位于俄罗斯北高加索地区的沙特贾特马兹高原，海拔2100米。

研究小组利用宿主星系质量关系估算出该黑洞的质量约为200万个太阳质量。它的亮度符合理论上黑洞以最大理论极限速率吸积物质时的预期值。利用XMM牛顿望远镜进行的长达12万秒的专项观测显示，其X射线亮度呈现出周期性上下波动的模式，波动周期可能大概在7.4小时。

地面望远镜（利克、兴隆、CMO）观测到了显示出许多新的或亮度骤增的发射线的光谱，尤其是来自高度电离铁的“日冕线”，它们在星系宁静状态下是不可见的。这可能表明此次爆发正在电离距离黑洞周边很远距离的气体。

吸积盘的不稳定

XMM牛顿望远镜的EPIC-pn相机观测的IC 3599的光变曲线显示出强烈的震荡。图中x轴为观测时间，y轴上半为x射线亮度，下半为x射线硬度。

研究人员在考虑分析得到的若干线索后倾向于认为，吸积盘中的辐射压不稳定是导致IC 3599反复发生巨型爆发的原因。在黑洞的吸积盘内侧，光本身对气体施加的压力大到使该区域变得不稳定。气体不断积聚，达到临界点后会触发向内突然坍缩，从而引发爆发。随后，吸积盘变空，温度下降，并逐渐重新填充——如此不断重复循环，但时间长度不定。

三次已知的爆发的间隔不等，分别是大约19.5年和15.7年。研究团队表示，这实在不太像一种真正周期性的机制——例如一颗恒星或紧致天体沿固定轨道运行并反复扰动吸积盘的行为。

研究人员在论文中解释现在还不能完全排除其他的理论。有可能一颗恒星正被黑洞反复剥离物质，每次都损失一点能量，这可能会逐渐缩短其轨道，或使其轨道变得更椭圆且摇摆不定。也有可能该星系中存在两个相互绕转的黑洞，这可能会产生与IC 3599中观察到的相同类型的不规则亮度变化。但研究人员指出这两种假说都无法解释这些爆发现象的某些特性。

研究人员特别指出应该“格外关注”X射线亮度每7.4小时一次的振荡现象。这一时间尺度与在其他少数活跃星系中观测到的、被称为“准周期振荡”（QPOs）的现象相吻合，尽管目前的数据量还不足以支撑准确的结论，而且这些现象的成因仍不清楚。

总之，此次记录到的IC 3599黑洞的爆发亮度接近黑洞的最大可能亮度，加上丰富的X射线和光学数据，表明其吸积盘内侧的不稳定可能是此次爆发的触发点。研究团队总结道：“IC 3599在爆发高峰期达到了爱丁顿极限的吸积状态，且XMM牛顿望远镜观测到的它的爆发光变曲线呈现出异常的类似准周期振荡的模式，它为我们深入理解极端条件下的吸积现象提供了独特的见解。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/亚利桑那州立大学