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(xiàn)出某種神秘的“心跳”。

他們利用NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了多個耀變體存在顯著的準(zhǔn)周期振蕩信號。

這不僅是數(shù)據(jù)的勝利，更是人類對黑洞極端物理環(huán)境認(rèn)知的一次深化。

TESS衛(wèi)星的主要任務(wù)是“找行星”。

它通過盯著恒星亮度的微小周期性變化，來發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星。

但這次，科學(xué)家們把它對準(zhǔn)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(zhì)量黑洞，正在瘋狂吞噬周圍物質(zhì)。

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(tuán)隊分析了TESS的高精度光變曲線。

他們還結(jié)合了Swift衛(wèi)星硬X射線巡天長達(dá)157個月的數(shù)據(jù)。

在篩選出的38個變源中，有4個耀變體表現(xiàn)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(diǎn)。

它們呈現(xiàn)出規(guī)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(fù)出現(xiàn)。

這表明，這種震蕩可能持續(xù)了數(shù)年之久。

這種準(zhǔn)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(jī)性的規(guī)律脈動。

在物理學(xué)上，這通常暗示著系統(tǒng)內(nèi)部某種特定的動力學(xué)過程。

對于耀變體而言，科學(xué)家們提出了兩種主要的解釋機(jī)制。

第一種是噴流的“扭折不穩(wěn)定性”。

想象一下，當(dāng)你拿著花園水管澆水時，水流如果太強(qiáng)，水管會像蛇一樣甩動。

耀變體的噴流也是由高速運(yùn)動的等離子體組成的。

如果噴流內(nèi)部的速度或磁場分布不均勻，就會產(chǎn)生這種“扭折”。

這種扭折沿著噴流傳播，就會導(dǎo)致我們觀測到的亮度發(fā)生周期性變化。

第二種可能性是噴流中存在“子結(jié)構(gòu)”。

噴流并不是一根均勻的針，而可能是由一個個高能團(tuán)塊組成的。

這些團(tuán)塊在噴流中運(yùn)動、相互作用，也可能產(chǎn)生震蕩信號。

這次發(fā)現(xiàn)的周期只有5到10天。

根據(jù)時標(biāo)對應(yīng)的空間尺度，這說明震蕩發(fā)生的區(qū)域非?？拷诙春诵摹?/strong>

這為我們窺探黑洞視界附近的極端環(huán)境提供了一個寶貴窗口。

準(zhǔn)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(tǒng)中，科學(xué)家們對QPO已經(jīng)比較熟悉。

但在活動星系核中，發(fā)現(xiàn)QPO要困難得多。

這是因?yàn)榛顒有窍岛说某叨染薮蟆?/p>

其變化時標(biāo)往往長達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年，遠(yuǎn)超人類的觀測歷史。

而且，吸積盤和噴流的過程非常復(fù)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(qū)，提供了連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

研究團(tuán)隊采用了廣義Lomb-Scargle周期圖和加權(quán)小波Z變換等先進(jìn)方法。

這些數(shù)學(xué)工具像精密的篩子，從海量數(shù)據(jù)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(xì)結(jié)構(gòu)，也能通過光變曲線的“指紋”，反推其背后的物理機(jī)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(lǐng)域的研究實(shí)力正在穩(wěn)步提升。

過去，我們在觀測設(shè)備上或許與國際頂尖水平有差距。

但現(xiàn)在，中國科學(xué)家已經(jīng)具備了利用國際公開數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘的能力。

更重要的是，我們正在從單純的“數(shù)據(jù)使用者”向“科學(xué)引領(lǐng)者”轉(zhuǎn)變。

雖然這次主要用的是TESS和Swift的數(shù)據(jù)，但背后的理論支撐和分析能力是實(shí)打?qū)嵉摹?/p>

除了即將投入使用的空間望遠(yuǎn)鏡，像LAMOST（郭守敬望遠(yuǎn)鏡）和FAST（中國天眼）也在持續(xù)積累海量時域觀測數(shù)據(jù)。

中國科學(xué)家不僅在硬件上追趕，在數(shù)據(jù)分析和理論建模上也已躋身世界前列。

未來，隨著更多先進(jìn)設(shè)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