让全世界欣赏“黑洞舞步”

发布时间：2025-12-31 08:00:00  浏览量：18

雷淼

国际学术期刊《科学·进展》日前在线发表了由中国科学院国家天文台牵头、30余家国内外科研机构合作完成的重要成果：通过多波段、高频次、长时间的观测，揭示了过去未被记录的潮汐瓦解事件的短期射电变化，提供了黑洞吸积盘与喷流协同进动（被形象地称为“黑洞舞步”）的最有力观测资料，为广义相对论的预言补充了新的实例证据。

黑洞正在瓦解恒星，并形成吸积盘与喷流（示意图）。

射电望远镜阵是捕捉黑洞信号的利器之一。

黑洞并不太“黑”

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，基于相对性原理对引力进行了全新的诠释。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性——具有质量的物体扭曲了时空，造成了引力的感觉。广义相对论虽然并非当今描述引力的唯一理论，却是与实验数据相符的最简洁理论。迄今为止，广义相对论的预言已经通过了所有观测与实验的验证。

而黑洞就是广义相对论预言的天体。当一个天体密度足够大的时候，周围的时空结构会使天体自己发出的光也逃不出来，这就是黑洞。有趣的是，尽管黑洞是从广义相对论中推导出来的，但爱因斯坦对黑洞抱有怀疑，他认为黑洞是个数学结论，在现实世界中无法形成。现在，我们已经知道黑洞确实存在，而且为数众多，有多种多样的形成方法。它的前身可以是死亡的大质量恒星、直接坍缩的星云，也可以是合并到一起的中子星和另外一个星体，甚至是发生合并的多个黑洞。每个星系中心都存在一个超大质量黑洞，质量可达太阳的10万倍乃至几十亿倍以上。

黑洞周围有个球形的“视界”，这里是光的不归点，一旦光跨过这个不归点进入视界，就无法逃脱黑洞的时空束缚，里面的任何情况都不得而知。而在视界外面，只要物质运行得足够快，还是可以在黑洞周围长久幸存的。

黑洞本身不发光也不反光，但是它可以在明亮的背景中被人看见。黑洞也是宇宙中最剧烈的各种天文现象的起因，它的视界外围往往是宇宙中最明亮的地方，这是因为周围物质在黑洞引力作用下形成了吸积盘，盘中气体的引力势能以很高效率转化成热能和辐射能。在磁场作用下，黑洞周围的物质还可能形成两极的高速喷流，并辐射出高能的γ射线。

中国研究团队领衔的这次研究成果，就与黑洞周围的吸积盘和两极喷流有关。

眺望黑洞旁被点亮的时空

在广义相对论的基础上，奥地利物理学家汉斯·瑟林与约瑟夫·伦斯在1918年提出，旋转物体可以拖曳身边的时空，造成“参考系拖曳”，也称“伦斯-瑟林效应”（又译为伦泽-蒂林效应、兰斯-蒂林效应）。打个简单的比喻，这种效应如同一颗球在水中旋转时，带动周围的水一道转起来。当然，这只是为了帮助大家更好地理解，拖曳时空的原理与强度实际上与之完全不同。

参考系拖曳的效应极其微弱，使用普通的方法难以检测。还好宇宙是个巨大的天然实验室，在里面可以找到各种极端的实验器材。黑洞作为质量巨大、自转飞快的极端天体，能够较为显著地产生参考系拖曳，美中不足的是黑洞离我们太远了，它周围的时空难以直接观测，需要借助在那里运动的一些明亮物质，才能看到时空被拖曳的效果，就好比通过一片白云，我们能“看到”风。

有一种现象能够点亮黑洞周围的时空，它就是“潮汐瓦解事件”。

潮汐瓦解事件是恒星接近超大质量黑洞时，被潮汐力撕裂的剧烈天文现象。当恒星离黑洞足够近时，它不是简单地被黑洞一口吞下，而是会经历一个壮观的瓦解过程。恒星面朝黑洞一端受到的引力远远超过其他部位受到的引力，于是恒星物质就像毛衣勾了线一样不断被抽离，朝着黑洞盘旋而去，围绕黑洞摊成一个炽热明亮的吸积盘，并在黑洞的磁场作用下（具体机制目前尚不明确），于基本垂直吸积盘面的方向上产生背对背的两股高速喷流。

吸积盘和喷流的组合形象就像一个大陀螺，其中的圆盘是吸积盘，转轴则是喷流。只不过，这个“大陀螺”还多了一样旋转的东西，就是核心的黑洞本身。由于吸积盘的朝向是由解体恒星的轨道决定的，通常跟黑洞自身的旋转不对齐。所以，在吸积盘绕着自己的转轴旋转的同时，核心黑洞也会拖曳时空，使吸积盘的转轴沿着黑洞的旋转方向缓缓进动，看起来就像快要倾倒的陀螺一样。

在遥远的观察者眼里，随着这个“大陀螺”的进动，吸积盘有时会比较正，有时会歪向一边，让观察者看到窄细的侧影。同样，轴向的喷流有时指向观察者，有时远离。吸积盘和喷流各自都会造成周期性的亮度波动，如果这两个波动是同步的，我们就说二者构成了“协同进动”。

潮汐瓦解事件的观测实例并不多，从上世纪90年代至今，人们总共只记录了100多例。对吸积盘与喷流的进动，针对不同的吸积系统各有一些分离的观测记录，并且大多集中在潮汐瓦解事件爆发初期，长期监测及清晰观测证据均极具挑战。而此次中国科学家对AT2020afhd潮汐瓦解事件进行的研究，是首次观测到吸积盘与喷流的协同进动，也是迄今为止最可信的案例。

见证黑洞拖曳时空

AT2020afhd是位于星系LEDA 145386核心的一个暂现源（指突然出现、持续一段时间又消失的天文现象），距离地球123兆秒差距，换算后约为4亿光年。AT2020afhd最初于2020年10月被美国加州帕洛玛天文台的茨威基暂现源设施（ZTF）发现。2024年1月4日，ZTF发现它又亮了起来，在可见光波段，其亮度在一个多月内增长了10倍，之后渐渐暗了下去。它的光谱特征与可见光波段的亮度衰减趋势，符合潮汐瓦解的效应。

从这个暂现源亮起之后，中外研究团队就迅速组织了国际协同观测，利用美国的格雷尔斯雨燕天文台（Swift）、中子星内部组成探测器（NICER）、欧洲空间局的XMM牛顿望远镜（XMM-Newton）等空间X射线望远镜，以及美国的甚大阵（VLA）、澳大利亚望远镜致密阵（ATCA）、英国的增强多元射电联合干涉网（e-MERLIN）、美国的甚长基线阵（VLBA）4个射电阵列，并结合中国兴隆2.16米、丽江2.4米等光学望远镜，开展了为期一年多的高频次、多波段监测。其中，空间X射线望远镜用于探测来自吸积盘的高能辐射，射电望远镜阵捕捉的则是喷流产生的射电信号。

研究人员从观测数据中发现，在X波段，从测量一开始，大幅度的亮度振荡就出现了。到暂现源重新亮起后的第215天，它在X射线波段的亮度开始展现出显著的周期性振荡，显著到不需要借助数学工具，一眼就能从曲线图上直接看出来。每隔19.6天，它就能完成一个明暗循环，亮度波动可达10倍。相比之下，射电波段的观测数据稍微有点纷乱，周期性不易直接识别，但也呈现出振幅超4倍的波动变化。

通过“互相关”数据分析算法，研究人员发现射电数据实际上并非杂乱无章，而是和X射线波段的数据存在强烈的相关性。这种跨波段、强振幅、准周期的同步变化，强烈暗示着黑洞吸积盘（通过X射线波段表现）和喷流（通过射电波段表现）之间存在刚性连接，就像“大陀螺”一样构成了围绕黑洞自转轴的协同进动。

在小心地排除了观测对象及周边环境可能带来的影响之后，研究团队认定所观测到的最优解释正是参考系拖曳，并构建了这起潮汐瓦解事件的模型：一个质量500万倍于太阳、自旋参数在0.11到0.35之间的黑洞撕碎了一颗类似太阳的恒星，恒星物质吸积盘转轴与黑洞的自转轴夹角约15°，黑洞自转轴与地球的观察方向夹角约38°，理论与实际观测值契合得很好。

AT2020afhd的吸积盘-喷流协同进动没有一直持续下去。到第250天时，射电波段的波动开始放慢，而X射线波段的波动依然稳定。到第300天时，X射线波段的亮度迅速下降，周期性波动也消失了，与此同时，射电波段的信号也在减弱。因此可以肯定的是，吸积盘-喷流的协同进动到第300天时破裂了，这背后的机制尚不明确，有待未来从理论与实际观测中继续探究。

研究团队构建的吸积盘-喷流协同进动模型成功重现了X射线与射电光变，并对系统几何、黑洞自旋及喷流速度进行了明确限制。科学家从中得到启示：这一现象或许普遍存在于宇宙中，只是以往受限于观测模式而未被大量发现。目前，国家天文台已牵头成立潮汐瓦解事件研究小组，定期开展学术交流，为重大发现提供智力支撑。随着中国的司天工程、爱因斯坦探针等新一代时域天文设施的运行，对全天区开展深度、多波段、高频次长期监测，必将在未来发现更多此类事件的实例，促进人们对黑洞物理学有更深的理解，获得更多有价值的研究成果。

结语

开辟黑洞研究新途径

对潮汐瓦解事件的传统观测多聚焦于爆发初期，而此次中国科学家牵头的国际团队通过长期密集监测，捕捉到事件演化后期的独特物理过程。科学家观测到吸积盘与喷流的协同进动，为理论模型与数值模拟所得到的预言补足了观测证据，构建起黑洞吸积-喷流系统的动态演化图景，为极端引力环境下的物质行为研究开辟了新途径。

值得一提的是，在这次长达一年的观测任务中，有30余家科研机构及国际团队共同参与。他们调动了太空（包括国际空间站）和4个大洲的观测设备，使用了X射线、射电及光学等多个波段，地面设备覆盖亚太、欧洲、美洲，能够进行24小时接力观测，树立了国际合作的经典范例。

“时空弯曲”的证实

黑洞旋转能够明显拖曳时空（示意图）。

比起黑洞来，地球要小得多，自转速度也慢得多，参考系拖曳效应极其微弱。可是，地球就在我们脚下，不像动辄上亿光年之外的黑洞那样充满未知数。科学家做了一些努力，试图在地球周围验证参考系拖曳。其中一次里程碑式的尝试，就是美国航空航天局在2004年4月发射的引力探测器B卫星。

这项任务的目标是对两种广义相对论效应进行测量：其一是地球对周围时空的弯曲程度，其二是地球自转对时空造成的拖曳。卫星通过测量陀螺仪的方向漂移来实现测量目标，陀螺仪在平直时空中理应方向恒定，但在弯曲的时空中，陀螺仪的方向就会不可避免地渐渐偏离遥远的引导恒星。广义相对论预测，在引力探测器B卫星所在的轨道上（高度642公里），弯曲的时空会使陀螺仪每年漂移6.6角秒（1角秒=3600分之一度），而被拖曳的时空使陀螺仪每年漂移0.039角秒，比前者弱了170倍。

引力探测器B卫星的核心实验装置包括4个精密陀螺仪和1个指向飞马座双星HR8703的参考望远镜。这些陀螺仪转子是人类制作过最接近完美球体的物体：它们大约乒乓球大小，与完美球体的误差被控制在40个原子的厚度。如果把它放大到地球的尺寸，那么这些误差起伏至多是2.4米高的土坡。制作团队称，比这更完美的球体只有中子星。这些精密的陀螺仪绝对不能接触盛放它们的容器内壁，方法是通过电场使它们悬浮，并用氦气气流推动其开始旋转。陀螺仪转子表面镀有一层铌，存放在-271℃的低温超导环境中。

从构想到发射，引力探测器B卫星经历了40余年的研究开发，耗资达7.5亿美元，是美国航空航天局史上研发时间最长的计划。最终，测量结果成功证实了广义相对论预言的时空弯曲，误差小于0.1%。而在参考系拖曳方面，它遭遇了与所观测信号几乎相当的噪声干扰，该干扰主要来自一些当时尚未建立研究模型的因素。经过分析噪声来源，对信号进行深度提取，参考系拖曳效应与理论值的差异被优化到5%，可称基本证实了参考系拖曳效应的存在，只是不确定性仍有19%。（作者为中国科普作家协会会员）