闪烁的光可以帮助天文学家称重超大质量黑洞

如果研究人员只知道关于黑洞的一件事，大多数人可能想知道它的质量。这决定了是否会形成黑洞，也正是它赋予了物体不可阻挡的引力。但称量来自数光年外的奇异天体并非易事，天体物理学家已经开发出各种技巧来梳理出他们需要的信息。

现在，一组研究人员发现了一种新技术——这种技术可能不仅适用于宇宙中最庞大的黑洞，也适用于某些小而密的物体，如白矮星。完成这种类型的测量需要时间，但这些观测最终可以让研究人员称量比以前更多的巨大黑洞，帮助物理学家对控制大多数星系的庞然大物有了新的认识。

伊利诺伊大学的天体物理学家 Colin Burke 说：“我们有可能使用我们的方法获得数千个”物体的黑洞质量。

超大质量黑洞及其称重方法

大多数星系被认为有超大质量黑洞——重量是太阳质量的数百万到数十亿倍——位于它们的中心并吸引气体和尘埃盘。虽然黑洞本身仍然是黑暗的，但这些“吸积盘”却闪耀着光芒。

天文学家称量这些巨兽的主要工具是等待它们闪光，这种情况随机发生，原因尚不清楚。闪光灯发出的一些光直接射向地球，而其他光则首先从黑洞周围的一圈尘埃反射回来。“回声”光被延迟的时间越长，气体云越大，黑洞也就越重。

更简单的计划

天文学家一直想知道他们是否可以直接从吸积盘的整体闪烁中获得质量，而不是对混响的细节大惊小怪。一些团队发现了黑洞质量与吸积盘摇摆不定的光之间存在联系的细微线索。但大多数研究只关注最大的黑洞——那些重达数千万到数十亿太阳质量的黑洞——它们都以相当相似的方式闪烁。

伯克和其他研究人员决定研究另一种类型的黑洞：在著名的矮星系中心，一个只有 10,000 个太阳质量的黑洞。根据 NASA 卫星的数据，其周围圆盘的闪烁与最大的庞然大物发出的光完全不同。鼓励他们在质量和闪烁之间建立联系，他们去年发表了他们的发现。

为了找到更多的例子，他们在历史记录中搜索了尽可能多的描述超大质量黑洞的数据。吸积盘的闪光可持续数天到数周，因此他们需要对每个黑洞进行数年的亮度观测。该小组将他们可以获得的每一次长期天空调查的读数编织在一起，包括斯隆数字天空调查、兹威基瞬变设施和暗能量调查。

“我们使用了可以追溯到 1998 年的光变曲线，”伯克说。“我们必须做很多工作来结合 20 多年的数据以获得足够长的覆盖范围。”

一旦他们有了数据，一个普遍的模式就变得清晰起来。在明亮的耀斑之后，巨大黑洞周围的圆盘比较轻物体周围的圆盘需要更长的时间才能稳定下来。伯克将这种效果比作比蜡烛的变化无常的火焰燃烧得更稳定、闪烁得更慢的篝火。

通过对吸积盘恢复到标准亮度的速度进行计时，研究人员可以计算出中央黑洞的重量。研究小组发现，在这方面，从大约数万到数十亿太阳质量的黑洞都以相同的方式运行。他们周四 在《科学》杂志上描述了他们的发现。

称量宇宙

模式并不止于此。当伯克和他的合作者将白矮星——烧毁的恒星核心——包括在内时，他们发现它们微小的吸积盘以疯狂的方式闪耀，适合它们相对较小的身材。白矮星的重量只有一个太阳质量左右，这意味着该模式适用于与细菌和蓝鲸之间的差异一样大的质量范围。伯克怀疑类似的关系可能适用于任何以正确类型的圆盘环绕的物体，从婴儿太阳系到中子星。

“当你有一个只是几何问题的普遍原理时，就会有一些很酷的东西，”他说。

未来的小组将不必费力地进行类似的分析。当 Vera C. Rubin 天文台在未来几年上线时，它将每隔几个晚上扫描整个天空，最终组装一个庞大的天体小点目录并记录每个点如何闪烁——这正是天体物理学家需要称量数千个黑色的数据用新方法打孔。

积累更多的质量可以帮助研究人员了解黑洞与其宿主星系之间亲密而神秘的联系。例如，适度的种子以某种方式控制着它们周围广阔星系区域的温度和恒星形成。

伯克希望利用这种模式探索重达几个太阳质量的黑洞和超大质量黑洞之间的稀疏无人区。宇宙中的巨大黑洞可能是从所谓的中等质量黑洞发展而来的，但金发碧眼的天体似乎很少而且相距甚远。但如果它们有吸积盘，新的轻质量关系就会在它们的背上留下印记。

“现在我们知道要寻找什么了，”伯克说。