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如果研究人员只知道关于黑洞的一件事,大多数人可能想知道它的质量。这是决定黑洞是否会形成的因素,也是给予物体不可阻挡的引力的因素。但是,给光年之外的奇异物体称重可不是一件小事,天体物理学家已经开发出各种各样的技巧来梳理出他们需要的信息。

现在,一组研究人员发现了一种新技术——这种技术可能不仅适用于宇宙中最庞大的黑洞,也适用于某些小而致密的物体,如白矮星。完成这种类型的测量需要时间,但这些观测最终可能会让研究人员比以前对更多的巨型黑洞进行称重,帮助物理学家对统治大多数星系的巨型黑洞有新的理解。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天体物理学家科林·伯克说:“我们有可能使用我们的方法来获得数千个物体的黑洞质量。”

超大质量黑洞以及如何衡量它们

大多数星系被认为有超大质量的黑洞——质量是我们太阳质量的数百万到数十亿倍——位于星系中心,吸引着气体和尘埃的圆盘。虽然黑洞本身仍然是黑暗的,但这些“吸积盘”却闪耀着灿烂的光芒。

天文学家用来衡量这些庞然大物的主要工具是等待它们闪烁,而这种闪烁是随机发生的,原因尚不清楚。闪光中的一些光直接射向地球,而另一些光则首先从黑洞周围的尘埃中反射回来。“回声”光延迟的时间越长,气体云就越大,黑洞就越重。

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这种“混响映射”技术需要观察一个超大质量黑洞足够长的时间,以捕捉到大量的闪烁,并足够仔细地将射入的光分解成不同的波长。天文学家已经用这种方法对几百个黑洞进行了称重,但每一个黑洞都需要用强大的望远镜进行数周的专门观察。

一个简单的计划

天文学家一直想知道,他们是否可以直接从吸积盘的整体闪烁中获得质量,而不是对混响的细节大惊小怪。一些研究小组已经发现了黑洞质量和吸积盘晃动的光线之间存在联系的微弱线索。但是大多数的研究只集中在最大的黑洞上——那些质量有几千万到数十亿太阳质量的黑洞——它们闪烁的方式都相当相似。

伯克和他的合作者沈悦以及其他研究人员决定研究另一种类型的黑洞:在著名的矮星系的中心只有10000个太阳质量的小黑洞。根据美国国家航空航天局(NASA)卫星的数据,它周围的圆盘发出的闪烁光与最大的庞然大物发出的光完全不同。在发现了大众和闪烁之间的联系后,他们受到鼓舞,发表了论文他们的发现去年。

为了找到更多的例子,他们搜索了历史记录,尽可能多地寻找描述超大质量黑洞的数据。从吸积盘发出的闪光可以持续数天到数周,所以他们需要对每个黑洞进行数年的亮度观测。该小组将他们能得到的每一次长期天空调查的读数编织在一起,包括斯隆数字天空调查、兹威基瞬变设施和暗能量调查。

“我们使用的光曲线可以追溯到1998年,”伯克说。“我们必须做大量工作,将20多年的数据结合起来,才能获得足够长的(覆盖面)。”

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一旦他们有了这些数据,一个普遍的模式就变得清晰起来。在明亮的耀斑爆发后,巨大黑洞周围的圆盘比较轻物体周围的圆盘花更长的时间安定下来。伯克把这种效果比作一堆燃烧得更稳定、闪烁得更慢的篝火,而不是变幻无常的蜡烛火焰。

通过计算吸积盘恢复到其标准亮度的速度,研究人员可以算出中心黑洞的重量。研究小组发现,在这方面,质量大约为几万到数十亿倍太阳质量的黑洞的行为方式都是一样的。他们在周四描述了他们的发现在《科学

重宇宙

这种模式还不止于此。当伯克和他的合作者把白矮星——烧毁了恒星的核心——包括在内时,他们发现它们的微小吸积盘以一种疯狂的方式耀斑,这与它们相对较小的身材相称。白矮星的质量大约只有一个太阳的质量,这意味着这种模式适用于一个巨大的质量范围,就像细菌和蓝鲸之间的差异一样大。伯克怀疑,类似的关系可能适用于任何环绕着正确圆盘的物体,从早期的太阳系到中子星。

他说:“当你有一个仅仅是几何学问题的普遍原理时,就会有一些很酷的东西。”

未来的研究小组将不再需要如此辛苦地进行类似的分析。当维拉·鲁宾天文台在未来几年上线时,它将扫描整个天空每隔几夜,最终收集了一个巨大的天体光点目录,并记录了每个光点闪烁的方式——正是天体物理学家用新方法测量数千个黑洞所需的数据。

积累更多的质量可以帮助研究人员了解黑洞和它们的宿主星系之间亲密而神秘的联系。例如,温和的种子以某种方式控制着周围广阔星系区域的温度和恒星的形成。

伯克希望利用这种模式来探索几个太阳质量的黑洞和特大质量黑洞之间的稀少的无人区。宇宙中巨大的黑洞可能是由所谓的中等质量黑洞,然而,金发姑娘的对象似乎少之又少。但如果它们有吸积盘,新的光质量关系将在它们背上留下印记。

“现在我们知道要寻找什么,”伯克说。

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