在一个遥远星系的中心，一个超大质量黑洞似乎出现了打嗝的情况。来自麻省理工学院、意大利、捷克共和国和其他地方的天文学家发现，位于大约8亿光年外的星系中心的一个以前安静的黑洞突然爆发，每8.5天释放一次气体羽流，然后恢复到正常的安静状态。
周期性打嗝是一种新的行为，直到现在还没有在黑洞中观察到。科学家们认为，最可能的解释是，爆发源于第二个较小的黑洞，它围绕着中心的超大质量黑洞旋转，每8.5天就会从较大黑洞的气体盘中抛出物质。
该团队的研究结果发表在《科学进展》杂志上，挑战了黑洞吸积盘的传统观点，科学家们一直认为吸积盘是围绕中心黑洞旋转的相对均匀的气体盘。新的结果表明，吸积盘的内容可能更加多样化，可能包含其他黑洞，甚至整个恒星。
“我们认为我们对黑洞了解很多，但这告诉我们，黑洞还有很多事情可以做，”该研究的作者、麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的研究科学家Dheeraj“DJ”Pasham说。“我们认为会有更多这样的系统，我们只需要收集更多的数据来找到它们。”
该研究的麻省理工学院共同作者包括博士后Peter Kosec，研究生Megan Masterson，副教授Erin Kara，首席研究科学家Ronald Remillard和前研究科学家Michael Fausnaugh，以及来自多个机构的合作者，包括罗马的Tor Vergata大学，捷克科学院的天文研究所和捷克共和国的Masaryk大学。
“使用它或失去它”
该团队的发现来自ASAS-SN(全天超新星自动巡天)的自动探测，这是一个由20个机器人望远镜组成的网络，位于北半球和南半球的不同位置。这些望远镜每天一次自动观测整个天空，寻找超新星和其他瞬变现象的迹象。
在2020年12月，该调查在大约8亿光年远的星系中发现了一次光爆发。在望远镜探测到这个星系之前，这片特殊的天空一直相对安静和黑暗，当时这个星系突然变亮了1000倍。
帕沙姆碰巧在社区警报中看到了这一发现，他选择用美国宇航局的NICER(中子星内部成分探测器)来关注耀斑。NICER是国际空间站上的一架x射线望远镜，它不断监测天空中的x射线爆发，这些爆发可能是中子星、黑洞和其他极端引力现象的活动信号。这个时机很偶然，因为帕沙姆一年的时间即将结束，在这段时间里，他被允许指向或“触发”望远镜。
他说:“要么使用它，要么失去它，这是我最幸运的一次突破。”
他训练NICER在遥远的星系继续闪耀时观测它。这次爆发持续了大约四个月才逐渐平息下来。在此期间，NICER每天都对该星系的x射线辐射进行高节奏的测量。当Pasham仔细观察这些数据时，他注意到在这四个月的耀斑中有一个奇怪的模式:在一个非常窄的x射线带中，微妙的下降似乎每8.5天出现一次。
似乎星系爆发的能量每8.5天周期性下降一次。这个信号类似于天文学家看到的，当一颗绕轨道运行的行星穿过它的主星前面，短暂地阻挡了恒星的光线。但是没有一颗恒星能够阻挡来自整个星系的耀斑。
帕沙姆回忆说:“我对这意味着什么感到挠头，因为这种模式不符合我们对这些系统的任何了解。”
打它
当他在寻找周期性下降的解释时，帕沙姆看到了捷克共和国理论物理学家最近发表的一篇论文。理论学家们分别得出结论，从理论上讲，星系中心的超大质量黑洞有可能容纳第二个小得多的黑洞。这个较小的黑洞可以与它较大的伴星的吸积盘形成一定的角度。
正如理论学家提出的那样，次级黑洞在运行过程中会周期性地穿过主黑洞的圆盘。在这个过程中，它会释放出一股气体，就像蜜蜂飞过花粉云一样。强大的磁场，在黑洞的北部和南部，然后可以弹射羽状物，并从圆盘。
每当较小的黑洞穿过圆盘时，它就会以一种规则的、周期性的模式喷出另一股羽流。如果羽流恰好指向观测望远镜的方向，它可能会观察到羽流是星系总能量的一个下降，偶尔会短暂地阻挡圆盘的光线。
帕沙姆说:“我对这个理论感到非常兴奋，我立即给他们发了邮件，说:‘我认为我们观察到的正是你们理论所预测的。’”
他和捷克科学家合作验证了这一想法，模拟了NICER对原始爆发的观察，以及8.5天的常规下降。他们的发现支持了这一理论:观测到的爆发很可能是第二个较小的黑洞的信号，它围绕中心的超大质量黑洞运行，并周期性地刺穿它的圆盘。
具体来说，研究小组发现，在2020年12月的探测之前，该星系相对平静。研究小组估计，该星系中心的超大质量黑洞的质量相当于5000万个太阳。在爆发之前，黑洞周围可能有一个微弱的弥漫性吸积盘在旋转，而另一个较小的黑洞，质量为100到1万个太阳，在相对黑暗的环境中绕轨道运行。
研究人员怀疑，在2020年12月，第三个物体——可能是附近的一颗恒星——摆动得太近，被超大质量黑洞的巨大引力撕成碎片——这一事件被天文学家称为“潮汐破坏事件”。
当恒星的碎片旋转进入黑洞时，恒星物质的突然涌入瞬间照亮了黑洞的吸积盘。在四个多月的时间里，当第二个黑洞继续绕轨道运行时，这个黑洞在享用恒星残骸。当它穿过圆盘时，喷出了比平时大得多的羽流，恰好直接射向了NICER的范围。
该团队进行了多次模拟来测试周期性下降。他们得出结论，最可能的解释是一种新的大卫-歌利亚系统——一个微小的中等质量黑洞，围绕着一个超大质量黑洞旋转。
“这是一头不同的野兽，”帕沙姆说。“它不符合我们对这些系统的任何了解。我们看到了物体以不同角度进入和穿过圆盘的证据，这挑战了黑洞周围简单的气体圆盘的传统观点。我们认为有大量这样的系统。”
“这是一个很好的例子，说明如何利用一颗被破坏的恒星的碎片来照亮星系核的内部，否则它就会保持黑暗。这类似于使用荧光染料来发现管道中的泄漏，”理查德萨克斯顿说，他是西班牙马德里欧洲空间天文中心(ESAC)的x射线天文学家，他没有参与这项研究。
“这一结果表明，非常接近的超大质量黑洞双星可能在星系核中很常见，这对未来的引力波探测器来说是一个非常令人兴奋的发展。”
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