天文学家观察到来自一个超大质量黑洞的X射线闪光，以不断加快的速度出现。其来源可能是一个处于黑洞边缘的死星核心，正处于摇摇欲坠的状态。
有一个超大质量黑洞使天文学家在过去几年中一直盯着他们的望远镜。首先是意外的消失，而现在，则是一场危险的旋转表演。
这个黑洞是1ES 1927+654，它的质量大约相当于一百万个太阳，位于距我们100百万光年的银河系中。2018年，麻省理工学院及其他地方的天文学家观察到黑洞的日冕——一团旋转的、炽热的等离子体云——突然消失，然后在几个月后重新聚集。这种短暂但戏剧性的关闭是黑洞天文学中的第一次。
麻省理工学院的研究小组现在捕捉到了同一个黑洞展现出更多的前所未见的行为。
天文学家们检测到来自黑洞的X射线闪光以逐渐增加的速度出现。在两年的时间里，这些闪光以毫赫兹的频率，从每18分钟一次增加到每七分钟一次。这种X射线的戏剧性加速在黑洞中尚未见过。
研究人员探讨了可能解释这些闪光的多种情景。他们相信，最可能的罪魁祸首是一个旋转的白矮星——一个极其紧凑的死星核心，正环绕黑洞运行，并越来越接近其事件视界，这是超出黑洞引力范围的边界。如果是这样的话，这颗白矮星必须在黑洞边缘保持惊人的平衡，因为它可以靠近黑洞的边缘而不会实际掉进去。
“这将是我们所知道的最接近任何黑洞的东西，”麻省理工学院物理研究生梅根·马斯特森说，她共同领导了这项发现。“这告诉我们，像白矮星这样的物体可能能够在事件视界附近相对较长时间地生存。”
研究人员今天在美国天文学会第245次年会上展示了他们的发现，该会议在马里兰州国家港口举行。
如果白矮星是黑洞神秘闪烁的根源，它还会发出引力波，这些波的范围可以被下一代天文台检测到，比如NASA的激光干涉仪空间天线（LISA）。
“这些新探测器旨在检测以分钟为单位的振荡，因此这个黑洞系统正好在这个甜蜜的区域，”共同作者、麻省理工学院物理学副教授埃琳·卡拉说。
该研究的其他共同作者包括麻省理工学院Kavli成员克里斯托斯·帕纳基奥图、乔欣·查克拉博提、凯文·伯奇、里卡多·阿尔科迪亚、罗纳德·雷米拉德和王静怡，以及来自多个其他机构的合作者。
没有正常的东西
卡拉和马斯特森是2018年观察1ES 1927+654的团队成员，当时黑洞的日冕变暗，然后随着时间的推移缓慢重建。一段时间内，重新形成的日冕——一团高能等离子体和X射线——是天空中最亮的X射线发射物体。
“它仍然非常亮，但在几年中没有做任何新事物，像是在咕噜咕噜地运转。但我们觉得必须继续监测它，因为它太美了，”卡拉说。“然后我们注意到了一些从未真正见过的事情。”
在2022年，团队审查了由欧洲航天局的XMM-牛顿探测器拍摄的黑洞观察数据，这是一种检测和测量来自黑洞、中子星、星系团和其他极端宇宙源的X射线发射的空间望远镜。他们注意到来自黑洞的X射线似乎以越来越频繁的速度脉动。这种“准周期性振荡”仅在少数其他超大质量黑洞中观察到，其中X射线闪光以规则的频率出现。
在1ES 1927+654的情况下，闪烁似乎稳步增加，从每18分钟一次增加到两年间的每七分钟一次。
“我们从未见过这种闪光速率的戏剧性变化，”马斯特森说。“这绝对不像一个正常的黑洞。”
闪烁在X射线波段被检测到，这意味着其来源很可能就在黑洞附近。黑洞的内层区域是极高能的环境，X射线是由快速移动的、炽热的等离子体产生的。在更远的距离上，X射线的出现可能性较小，因为气体在吸积盘中可以更慢地环绕。吸积盘的更冷环境可以发射光学和紫外线光，但很少发出X射线。
“在X射线中看到某物已经告诉你你相当接近黑洞，”卡拉说。“当你看到以分钟为单位的变化时，那接近事件视界，而你脑海中想到的第一件事就是环绕运动，是否有什么东西能够围绕黑洞运转。”
X射线的提升
无论是什么产生了X射线闪光，都在非常接近黑洞的距离内进行，研究人员估计这个距离在事件视界的几百万英里内。
马斯特森和卡拉探讨了多种可能的天体物理现象模型，以解释他们观察到的X射线模式，包括与黑洞的日冕相关的可能性。
“一个想法是这个日冕在振荡，可能是来回晃动，如果它开始收缩，这些振荡在尺度变小的情况下会变得更快，”马斯特森说。“但我们在理解日冕振荡的非常早期阶段。”
一个更可能的情景，科学家们对涉及的物理过程有更好把握，是与一个敢死队风格的白矮星有关。
“这些东西真的很小，非常紧凑，我们假设这是一个越来越接近黑洞的白矮星，”马斯特森说。
根据他们的模型，研究人员估计这颗白矮星的质量大约是太阳的十分之一。而超大质量黑洞本身的质量约为100万太阳质量。
当任何物体如此接近一个超大质量黑洞时，预计会发出引力波，将物体拉向黑洞。随着它越接近，白矮星的运动速度会加快，这可以解释团队观察到的X射线振荡频率的增加。
白矮星几乎在无法返回的边缘，预计距离事件视界只有几百万英里。然而，研究人员预测这颗星星不会掉进去。虽然黑洞的引力可能会将白矮星向内部拉，但这颗星星也在将其外层的一部分掉入黑洞中。这种掉落可以导致一个小的反弹，使得白矮星——本身就是一个极其紧凑的天体——能够抵抗穿越黑洞的边界。
“由于白矮星体积小且紧凑，它们很难被撕裂，因此它们可以非常接近黑洞，”卡拉说。“如果这个情景是正确的，这颗白矮星就在反转点，我们可能会看到它离得更远。”
团队计划继续使用现有和未来的望远镜观察这个系统，更好地理解黑洞内部环境中正在发生的极端物理过程。他们特别期待在空间引力波探测器LISA发射后研究该系统——计划于2030年代中期发射——因为该系统应发出的引力波将处于LISA能够清晰检测的甜蜜区域。
“我从这个源头学到的唯一一件事就是，不要停止观察它，因为它可能会教会我们一些新东西，”马斯特森说。“下一步就是保持我们的眼睛睁开。”
