上海交大Mizuno团队：坠向超大质量黑洞的低角动量物质激起神秘振荡

　　

近日，上海交通大学李政道研究所Yosuke Mizuno课题组的研究成果“Emergence of cHz Quasi-periodic Oscillations from Low Angular Momentum Flow onto a Supermassive Black Hole” 发表于国际权威期刊《天体物理杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。

准周期振荡（Quasi-periodic oscillations）是在黑洞附近发出的有节奏的光变现象。如同地震波揭示地球内部结构一般，这些振荡揭示了隐藏的黑洞物理机制。天体物理学家提出，新发现的在超大质量黑洞（Supermassive black holes）周围环境中的一种光变模式，可能成为一种尚未被证实的物质流存在的证据。研究人员通过最先进的数值模拟发现，黑洞吸积低角动量物质可以产生厘赫兹（centi-Hertz）频率的准周期振荡——即由超大质量黑洞附近的共振引起的快速、周期性的亮度波动。这些厘赫兹频率准周期振荡为观测黑洞吞噬物质及其与周围环境相互作用提供了前所未有的特征信号。

图：(a) 广义相对论磁流体力学模拟下在黑洞附近类表面结构的形成。(b) 视界面处吸积率的振荡。

天体物理学家发现通过识别一种独特的光变模式，可以研究超大质量黑洞（Supermassive black holes）附近极端环境，从而揭示气体和等离子体如何坠向这些质量是太阳数十亿至数万亿倍的宇宙巨兽。尽管黑洞以吞噬靠近它们的物质而闻名，但它们也会以惊人的规律性产生闪烁和脉动现象。这种被观测到的电磁辐射（全波段）的周期性光强变化被称为准周期振荡（Quasi-periodic oscillations），表现为坠向黑洞的超高温物质（称为吸积流）发出以固定时间间隔明暗交替的光芒。准周期振荡在特定频率发生，为探究黑洞物理提供了一种独特的方法，类似地震学家通过地震波来研究地球内部结构。

准周期振荡是研究黑洞事件视界（连光都无法逃逸的边界）时空特性的关键线索，可揭示吸积动力学、黑洞自旋参数，乃至检验极端引力环境下广义相对论的适用性。迄今为止，近年观测到的来自超大质量黑洞的准周期振荡多在毫赫兹（milliHertz）频段，即闪烁发生的时间尺度为几分钟到数小时。而本研究预测了更高频的厘赫兹（centi-Hertz）及以上频段准周期振荡的存在，它们发生的时间尺度是毫赫兹振荡的十分之一甚至百分之一。这一发现意义重大，因为它指出此前备受争议的低角动量吸积流及其对黑洞吸积过程的影响是可以被探测的。

研究团队利用最先进的广义相对论磁流体动力学（general relativistic magnetohydrodynamic）模拟，构建了低角动量物质向超大质量黑洞坠落的模型。该研究揭示了低角动量物质坠入黑洞视界前在黑洞附近聚集形成的特殊结构的机制及其关键作用，这种特殊结构称为类表面结构（pseudo surface）。与传统黑洞事件视界不同，类表面结构的形成源于气体缓慢径向坠入时在最终消失前的暂时性堆积。这个区域极大地改变了吸积动力学过程，形成了物质在穿越事件视界之前与自身相互作用的反馈机制。这种相互作用会导致密度和压力的周期性波动，进而产生共振振荡（resonant oscillations），也就是厘赫兹频率的准周期振荡。研究首次通过模拟证实，低角动量物质流能自然产生厘赫兹频率的准周期振荡——其闪烁频率比之前已知的毫赫兹频段的闪烁频率要高得多。这些振荡由基波和偶次谐波组成，比如，如果一个闪烁在基频发生，那么一个频率为基频2倍的二次谐波也会伴随发生。结合近期对银河系中心超大质量黑洞人马座A*及其他活跃黑洞的观测，该研究指出，如果在实际观测中能探测到这些高频准周期振荡，或能直接证明低角动量吸积流的存在，从而填补黑洞物理学的关键空白。

图：显示出厘赫兹准周期振荡的功率谱

论文第一作者、通讯作者，上海交通大学李政道研究所的Indu K. Dihingia博士表示：“我们的研究揭示了一种此前未被观测到的黑洞吸积特征，阐明了物质是如何以我们此前从未想象过的方式落入超大质量黑洞的过程。“这一发现为事件视界望远镜（EHT）、下一代事件视界望远镜（ngEHT）、詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）以及甚大望远镜干涉仪上的GRAVITY仪器（VLTI-GRAVITY）等高分辨率观测设备开辟了新的探测路径，使科学家有望通过这些设备捕捉这些闪光。

这项研究改变了我们对黑洞吸积的理解。厘赫兹准周期振荡的发现表明，物质并不总是平滑地螺旋进入黑洞——它可能以更混乱的方式进入黑洞，在进入黑洞之前在类表面结构处发生相互作用，发出独特的闪光。论文通讯作者，上海交通大学李政道研究所的水野阳介教授总结道：“如果厘赫兹频率准周期振荡能够得到观测证实，这将是强引力天体物理学的一个突破，并揭开黑洞的新奥秘。随着望远镜性能的持续提升，对这些闪烁信号的搜索将拓展人类对宇宙中最神秘天体的认知边界。”

论文原文

Indu K Dihingia, Yosuke Mizuno “Emergence of cHz Quasi-periodic Oscillations from Low Angular Momentum Flow onto a Supermassive Black Hole”, The Astrophysical Journal Letters, 982, L21.

doi: 10.3847/2041-8213/adbc6d

联系方式

Dr. Indu K Dihingia

上海交通大学李政道研究所

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Prof. Yosuke Mizuno

上海交通大学李政道研究所

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相关支持

感谢科技部重点研发计划重点专项 (No. 2023YFE0101200), 国家自然科学基金委员会面上项目(No. 12273022), 上海市科学技术委员会2022年度外国专家基础研究项目 (No. 22JC1410600)对本工作的支持。

作者：

李政道研究所

供稿单位：

李政道研究所