武漢大學(xué)天文學(xué)系王偉教授團(tuán)隊(duì)利用世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡中國(guó)“天眼”首次在黑洞中發(fā)現(xiàn)射電輻射偏振信號(hào)的準(zhǔn)周期振蕩,為探索黑洞附近磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和等離子體動(dòng)力學(xué)特征提供了新的觀測(cè)視角。該成果以“Quasi-periodic oscillations of GHz-band polarization in a black hole”為題于北京時(shí)間2025年6月11日在《Nature Communications》在線發(fā)表。
黑洞是宇宙中最神秘的天體,具有巨大的引力,任何光都無法逃逸出黑洞,但可以吸積伴星或周圍介質(zhì)的物質(zhì)產(chǎn)生高溫的吸積盤及形成相對(duì)論性的噴流,在觀測(cè)上表現(xiàn)為間歇性或長(zhǎng)期變化的X射線和射電輻射,是研究強(qiáng)引力場(chǎng)和相對(duì)論物理的宇宙天然實(shí)驗(yàn)室。從分類上講,目前天文學(xué)研究的黑洞主要有兩類:恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,其質(zhì)量范圍為5-100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,一般存在雙星系統(tǒng)中;超大質(zhì)量黑洞,質(zhì)量范圍為一百萬(wàn)-10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,一般存在于星系中心。
黑洞輻射特征是研究黑洞物理和周圍環(huán)境最主要的探針,具有豐富的變化特征。在過去二十年中,人類發(fā)現(xiàn)黑洞輻射上存在準(zhǔn)周期振蕩的變化特征,并且我們?cè)?/span>X射線、光學(xué)、射電等電磁波段均觀測(cè)到該現(xiàn)象。所有這些發(fā)現(xiàn)都只觀測(cè)到輻射流量(強(qiáng)度)的振蕩,可能起源于黑洞附近等離子體的運(yùn)動(dòng)或參數(shù)的變化。但至今我們依然不能完全理解黑洞輻射準(zhǔn)周期光變的物理起源。
光是自然界很特殊的物理現(xiàn)象,具有波粒二象性,因此光除了總的輻射強(qiáng)度上變化外,在傳播過程中,光的振幅強(qiáng)度在垂直于傳播方向上存在不對(duì)稱性,被稱為光的偏振。偏振反映了光輻射性質(zhì)的新維度和新特征參數(shù),可以反映自然界物理規(guī)律新的信息?;谥袊?guó)天眼500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST強(qiáng)大的觀測(cè)能力,王偉教授帶領(lǐng)學(xué)生開展對(duì)銀河系中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞開展高精度和高時(shí)間分辨率的射電觀測(cè),首次在一顆黑洞天體GRS 1915+105中發(fā)現(xiàn)黑洞射電輻射偏振信號(hào)存在特殊的準(zhǔn)周期振蕩行為。在一次射電爆發(fā)過程中,黑洞射電輻射的線偏振參數(shù)存在17秒和33秒的振蕩周期,振蕩時(shí)間持續(xù)了近500秒。
詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不僅線偏振變化存在準(zhǔn)周期振蕩,射電輻射總強(qiáng)度的光變曲線也存在相似周期的準(zhǔn)周期振蕩,同時(shí)在發(fā)生準(zhǔn)周期振蕩的活動(dòng)時(shí)間內(nèi),射電總強(qiáng)度的變化模式與線偏振變化模式具有反相關(guān)的行為,總強(qiáng)度光變曲線的波峰對(duì)應(yīng)著線偏振變化曲線的波谷。這種反相關(guān)只發(fā)生在準(zhǔn)周期振蕩時(shí)間內(nèi),在其他觀測(cè)時(shí)間,輻射總強(qiáng)度與線偏振沒有任何相關(guān)性。這種偏振變化行為則為我們探索準(zhǔn)周期振蕩物理起源提供了新的科學(xué)線索。
黑洞輻射準(zhǔn)周期振蕩的產(chǎn)生機(jī)制依然存在爭(zhēng)議,新發(fā)現(xiàn)的偏振振蕩行為,其物理起源更是完全不清楚。我們發(fā)現(xiàn)的射電偏振準(zhǔn)周期振蕩可能來自黑洞噴流特殊的運(yùn)動(dòng)特征,同時(shí)磁場(chǎng)具有一個(gè)螺旋上升的結(jié)構(gòu),或者噴流中磁力線糾纏導(dǎo)致的不穩(wěn)定性等。如何解釋輻射強(qiáng)度和偏振的準(zhǔn)周期振蕩,并探索黑洞物理一直是我們追求的科學(xué)目標(biāo)。論文的共同一作陳佳詩(shī)博士正在開展黑洞吸積和噴流的磁流體數(shù)值模擬工作,希望可以進(jìn)一步揭示黑洞輻射變化和振蕩周期的物理本質(zhì);論文另一個(gè)共同一作田鵬夫博士則一直探測(cè)黑洞噴流中射電快速光變行為,為研究輻射機(jī)制和等離子動(dòng)力學(xué)提供更多觀測(cè)限制。論文的通訊作者和一作王偉教授則首次提出開展黑洞射電快速光變研究的想法,并首次用FAST開展相關(guān)研究,近年來已經(jīng)取得系列重大發(fā)現(xiàn),包括2023年在《自然》上發(fā)表重量級(jí)成果。
論文的第一完成單位是武漢大學(xué)天文學(xué)系,其合作者還包括來自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、北京大學(xué)、云南大學(xué)、美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)的天文學(xué)家。該工作受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

圖1:黑洞射電爆發(fā)過程中,輻射總強(qiáng)度和線偏振的演化,并且出現(xiàn)了17秒和33秒的準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象,該現(xiàn)象持續(xù)了近500秒。

圖2:黑洞射電輻射總強(qiáng)度和偏振演化曲線的小波分析示意圖,顯示了輻射總強(qiáng)度(FD)和線偏振(LP)具有相似的準(zhǔn)周期振蕩行為。