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探索宇宙奧秘 · 理性思考
宇宙深處并不總是死寂一片。
那里有時也會像生命體一樣,展現出某種神秘的“心跳”。
他們利用NASA的凌日系外行星巡天衛星(TESS)數據,發現了多個耀變體存在顯著的準周期振蕩信號。
這不僅是數據的勝利,更是人類對黑洞極端物理環境認知的一次深化。
TESS衛星的主要任務是“找行星”。
它通過盯著恒星亮度的微小周期性變化,來發現太陽系外的行星。
但這次,科學家們把它對準了宇宙中最狂暴的一類天體:耀變體。
耀變體是活動星系核的一種。
它們中心是超大質量黑洞,正在瘋狂吞噬周圍物質。
同時,黑洞會向兩極噴射出接近光速的等離子體噴流。
如果噴流剛好對著地球,我們就能看到極其劇烈的亮度變化。
Tripathi團隊分析了TESS的高精度光變曲線。
他們還結合了Swift衛星硬X射線巡天長達157個月的數據。
在篩選出的38個變源中,有4個耀變體表現出了極高的周期性顯著性。
這些光變曲線不再是雜亂無章的噪點。
它們呈現出規律的起伏,周期在5到10天之間。
更有趣的是,其中一個天體的信號在不同年份的觀測中反復出現。
這表明,這種震蕩可能持續了數年之久。
這種準周期振蕩(QPO)究竟是什么?
它不是完美的鐘表擺動,而是帶有某種隨機性的規律脈動。
在物理學上,這通常暗示著系統內部某種特定的動力學過程。
對于耀變體而言,科學家們提出了兩種主要的解釋機制。
第一種是噴流的“扭折不穩定性”。
想象一下,當你拿著花園水管澆水時,水流如果太強,水管會像蛇一樣甩動。
耀變體的噴流也是由高速運動的等離子體組成的。
如果噴流內部的速度或磁場分布不均勻,就會產生這種“扭折”。
這種扭折沿著噴流傳播,就會導致我們觀測到的亮度發生周期性變化。
第二種可能性是噴流中存在“子結構”。
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噴流并不是一根均勻的針,而可能是由一個個高能團塊組成的。
這些團塊在噴流中運動、相互作用,也可能產生震蕩信號。
這次發現的周期只有5到10天。
根據時標對應的空間尺度,這說明震蕩發生的區域非常靠近黑洞核心。
這為我們窺探黑洞視界附近的極端環境提供了一個寶貴窗口。
準周期振蕩在天體物理中一直是個“稀客”。
在恒星級黑洞的雙星系統中,科學家們對QPO已經比較熟悉。
但在活動星系核中,發現QPO要困難得多。
這是因為活動星系核的尺度巨大。
其變化時標往往長達數年甚至數十年,遠超人類的觀測歷史。
而且,吸積盤和噴流的過程非常復雜,各種噪音容易掩蓋微弱的周期信號。
這次研究之所以能成功,得益于TESS的高時間分辨率。
它幾乎不間斷地盯著同一片天區,提供了連續的數據流。
研究團隊采用了廣義Lomb-Scargle周期圖和加權小波Z變換等先進方法。
這些數學工具像精密的篩子,從海量數據中過濾出了有價值的周期信息。
即使我們無法直接“看到”黑洞的精細結構,也能通過光變曲線的“指紋”,反推其背后的物理機制。
它連接了微觀的等離子體物理過程和宏觀的宇宙尺度的能量釋放。
這反映出中國在高能天體物理領域的研究實力正在穩步提升。
過去,我們在觀測設備上或許與國際頂尖水平有差距。
但現在,中國科學家已經具備了利用國際公開數據進行深度挖掘的能力。
更重要的是,我們正在從單純的“數據使用者”向“科學引領者”轉變。
雖然這次主要用的是TESS和Swift的數據,但背后的理論支撐和分析能力是實打實的。
除了即將投入使用的空間望遠鏡,像LAMOST(郭守敬望遠鏡)和FAST(中國天眼)也在持續積累海量時域觀測數據。
中國科學家不僅在硬件上追趕,在數據分析和理論建模上也已躋身世界前列。
未來,隨著更多先進設備的投入使用,我們有望在這些神秘信號的源頭捕捉上取得更多突破。
或許有一天,我們能徹底解開黑洞噴流“呼吸”的秘密。
Ashutosh Tripathi et al, Probable quasi-periodic oscillations in the TESS observations of blazars in the Swift X-ray Survey, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf2211
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