闪烁的光可以帮助天文学家测量超大质量黑洞的重量

如果研究人员只想知道黑洞的一个方面，大多数人可能想知道它的质量。这决定了黑洞是否会形成，也决定了黑洞具有不可阻挡的引力。但测量光年之外的奇异物体的重量绝非易事，天体物理学家已经开发出各种技巧来获取他们所需的信息。

现在，一组研究人员发现了一种新技术——它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。进行这种类型的测量需要时间，但这些观测最终可以让研究人员比以前测量出更多的巨型黑洞，帮助物理学家对统治大多数星系的庞然大物有新的认识。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天体物理学家科林·伯克 (Colin Burke) 表示：“我们有可能利用我们的方法获得数千个物体的黑洞质量。”

超大质量黑洞及其称量方法

大多数星系被认为拥有超大质量黑洞——质量是太阳的数百万至数十亿倍——位于星系中心，吸引着气体和尘埃盘。虽然黑洞本身保持黑暗，但这些“吸积盘”却熠熠生辉。

天文学家测量这些庞然大物重量的主要工具是等待它们闪光，闪光发生的时间是随机的，原因也不太清楚。闪光发出的部分光线会直接射向地球，而其他光线则会先从黑洞周围的尘埃圈上反射回来。“回声”光线延迟的时间越长，气体云就越大，黑洞就越重。

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这种“混响映射”技术需要长时间观察超大质量黑洞，以捕捉到大量闪烁，并仔细将入射光分解成不同的波长。天文学家已经用这种方法测量了几百个黑洞的重量，但每个黑洞都需要用强大的望远镜进行数周的专门观测。

更简单的计划

天文学家长期以来一直想知道，他们是否能直接从吸积盘的整体闪烁中得到质量，而不是纠结于混响的细节。一些团队发现了黑洞质量和吸积盘波动光之间存在联系的微弱线索。但大多数研究只关注最大的黑洞——那些质量为数千万到数十亿太阳质量的黑洞——它们的闪烁方式都相当相似。

伯克和他的同事岳·沈以及其他研究人员决定研究另一种黑洞：一个位于著名矮星系中心、质量仅为 10,000 倍太阳的微不足道的黑洞。根据 NASA 卫星的数据，其周围圆盘的闪烁与最大的庞然大物发出的光完全不同。他们对自己正在追踪质量和闪烁之间的联系感到鼓舞，并于去年发表了他们的研究结果。

为了找到更多的例子，他们搜索了历史记录，寻找尽可能多的描述超大质量黑洞的数据。吸积盘的闪光可以持续数天到数周，因此他们需要对每个黑洞进行多年的亮度观测。该小组将他们能接触到的每一项长期巡天的读数整合在一起，包括斯隆数字巡天、兹维基瞬变设施和暗能量巡天。  

“我们使用的光变曲线可以追溯到 1998 年，”伯克说。“我们必须做大量工作来整合 20 多年的数据，才能获得足够长的[覆盖范围]。”

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一旦他们掌握了这些数据，一个普遍的模式就变得清晰起来。在一次明亮的耀斑之后，巨大黑洞周围的圆盘需要比较轻物体周围的圆盘更长的时间才能稳定下来。伯克将这种效果比作篝火，它比蜡烛的火焰更稳定，闪烁得更慢。

通过计算吸积盘恢复到标准亮度的速度，研究人员可以计算出中心黑洞的重量。研究小组发现，在这方面，质量从大约几万到数十亿太阳质量的黑洞都表现出相同的行为。他们于周四描述了他们的发现 发表在《科学》杂志上。

衡量宇宙

这种模式并不止于此。当伯克和他的同事将白矮星（燃烧殆尽的恒星核心）纳入其中时，他们发现，它们的微小吸积盘会以与其相对微小的体型相称的方式疯狂地闪烁。白矮星的质量仅为一个太阳左右，这意味着这种模式适用于质量范围，其范围之广堪比细菌和蓝鲸之间的差异。伯克怀疑，类似的关系可能适用于任何被正确类型的吸积盘环绕的物体，从婴儿太阳系到中子星。

他说：“当你掌握了一条仅仅是几何问题的普遍原理时，就会出现一些很酷的事情。”

未来的研究团队将不必再那么辛苦地进行类似的分析。当维拉·C·鲁宾天文台在未来几年投入使用时，它将每隔几晚扫描整个天空，最终收集大量天体点状星云并记录每个星云闪烁的情况——这正是天体物理学家使用新方法测量数千个黑洞重量所需的数据。

聚集更多质量可以帮助研究人员了解黑洞与其宿主星系之间密切而神秘的联系。例如，这些不起眼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形成。

伯克希望利用这种模式探索质量为几个太阳质量的黑洞和超大质量黑洞之间的稀疏无人区。宇宙中的巨型黑洞可能由所谓的中等质量黑洞发展而来，但“金发姑娘”般的物体似乎很少见。但如果它们有吸积盘，新的轻质量关系就会在它们背后留下痕迹。

“现在我们知道要寻找什么了，”伯克说。