麻省理工學院（MIT）的天文學家一直被一個位於2.7億光年外的超大質量黑子的奇怪行為所吸引。最近，它又表現出另一種奇特的現象： X 射線發射從每18 分鐘一次加速到每7 分鐘一次，這很可能是由在事件穹界邊緣徘徊的白矮星引起的。

在這張藝術家繪製的效果圖中，物質流沿著白矮星運行，白矮星位於1ES 1927 超大質量黑洞周圍最內層的吸積盤中。 圖片來源：NASA/Aurore Simonnet，索諾瑪州立大學

一個超大質量黑洞多年來一直以其不同尋常的戲劇性行為吸引天文學家。 首先，它的日冕–一團高溫旋轉的等離子體–突然消失，震驚了研究人員，但幾個月後又重新出現。 現在，它又出現了一個更令人費解的現象：一種岌岌可危而又耐人尋味的旋轉行為。

這個黑洞被稱為1ES 1927+654，質量大約是太陽的一百萬倍，位於2.7億光年外的一個星系中。 2018年，麻省理工學院和其他機構的科學家觀測到了日冕出人意料的消失行為，這在黑洞研究中尚屬首次。

最近，同一個黑洞又展現了另一種前所未有的行為，進一步加深了這個宇宙巨行星的神秘性。

天文學家偵測到來自黑洞​​的X 射線閃爍在持續增加。 在兩年的時間裡，這種毫赫茲頻率的閃爍從每18分鐘一次增加到了每7分鐘一次。 在此之前，黑洞從未出現過這種X射線急遽加速的現象。

研究人員探討了多種可能解釋這種閃光的情況。 他們認為最有可能的罪魁禍首是一顆正在旋轉的白矮星–它是一顆死星極其緊湊的內核，正圍繞著黑洞運行，岌岌可危地接近黑洞的事件穹界。 如果是這樣的話，那麼白矮星一定是在完成一個令人印象深刻的平衡動作，因為它可能會直接接近黑洞的邊緣，而不會真的掉進去。

天文學家提出這項設想，是為了解釋歐空局（ESA）XMM-牛頓衛星偵測到的快速X射線振盪的演變過程。 歐空局的LISA 任務將於下一個十年發射，它應該能夠透過探測白矮星產生的引力波來確認它的存在。 圖片來源：NASA/Aurore Simonnet，索諾瑪州立大學

麻省理工學院物理學研究生梅根-馬斯特森（Megan Masterson）說：”這將是我們所知道的任何黑洞周圍最接近的東西，”她是這一發現的共同負責人。 “這告訴我們，像白矮星這樣的天體可能能夠在非常接近事件穹界的地方生活相對較長的一段時間。”

研究人員在美國天文學會第245次會議上發表了他們的發現。

如果白矮星是黑洞神秘閃光的根源，那麼它也會發出重力波、 歐洲太空總署的雷射干涉儀空間天線（LISA）等下一代天文台可以偵測到的範圍。

「這些新探測器的設計目的是探測分鐘級的振盪，因此這個黑洞系統正處於這個甜蜜點上，」合著者、麻省理工學院物理學副教授艾琳-卡拉（Erin Kara）說。

研究的其他合著者包括麻省理工學院卡弗里（Kavli）成員克里斯托斯-帕納吉奧托（Christos Panagiotou）、喬欣-查克拉博蒂（Joheen Chakraborty）、凱文-伯奇（Kevin Burdge）、里卡多-阿科迪亞（Riccardo Arcodia）、羅納德-雷米拉（Ronald Remillard）和王靜怡，以及其他多個機構的合作者。

卡拉和馬斯特森是2018 年觀測1ES 1927+654 的團隊成員之一，當時黑洞的日冕變暗，然後隨著時間的推移慢慢重建。 有一段時間，新重建的日冕–一團高能量等離子體和X射線–是天空中最亮的X射線發射物體。

“它仍然非常明亮，儘管幾年來它沒有任何新的表現，有點潺潺流水的感覺。 但我們覺得我們必須繼續監測它，因為它太美了，”卡拉說。 “然後我們注意到了一些以前從未見過的東西。”

2022年，研究團隊檢視了歐洲太空總署XMM-牛頓天文台對黑洞的觀測數據，可以偵測和測量來自黑洞、中子星、星系團和其他極端宇宙源的X射線輻射。 他們注意到，來自黑洞的X 射線似乎以越來越高的頻率脈衝。 這種”準週期振盪”只在少數其他超大質量黑洞中觀測到過，在這些黑洞中，X射線閃爍的頻率是有規律的。

1ES 1927+654 的電波影像顯示，在一次強烈的電波耀斑之後，該星系中央黑洞兩側似乎出現了等離子體噴流。 第一張照片拍攝於2023年6月，沒有噴流的跡象，可能是因為高溫氣體遮住了它的視線。 然後，從2024年2月開始，這些特徵出現並向遠離星系中心的方向擴展，從每個結構的中心測量，總距離約為半光年。 資料來源：NSF/AUI/NSF NRAO/Meyer at al.

在1ES 1927+654 的案例中，閃爍的頻率似乎在穩定上升，在兩年的時間裡從每18 分鐘一次上升到每7 分鐘一次。

馬斯特森說：”我們從未見過這種閃爍速度的劇烈變化。這看起來完全不像一個正常的超大質量黑洞。”

在X 射線波段探測到閃光這一事實表明，光源極有可能就在非常靠近黑洞的某個地方。 黑洞的最內層是能量極高的環境，X 射線是由快速移動的高溫等離子體產生的。 在較遠的距離則不太可能看到X 射線，因為氣體在吸積盤中的循環速度較慢。 吸積盤中較冷的環境可以發出光學光和紫外線，但很少發出X射線。

“在X射線中看到一些東西就已經說明你離黑洞很近了，”卡拉說：”當你看到以分鐘為時間尺度的變化時，那就接近事件視界了，你首先想到的是圓週運動，以及是否有東西在圍繞黑洞運行。

據研究人員估計，產生X 射線閃光的黑洞距離事件視界只有幾百萬英里。

馬斯特森和卡拉探索了各種天體物理現象的模型，這些模型可以解釋他們觀測到的X 射線模式，包括與黑洞日冕相關的可能性。

馬斯特森說：「有一種想法是，這個日冕正在振盪，也許是來回膨脹，如果它開始縮小，隨著尺度變小，這些振盪會變得更快。但我們對日冕振盪的了解還處於非常初級的階段。

另一種有希望的情況，也是科學家在物理學方面掌握得更好的情況，與白矮星的敢死隊有關。 根據他們的建模，研究人員估計白矮星的質量可能只有太陽的十分之一。 相較之下，超大質量黑洞本身的質量約為一百萬個太陽質量。

當任何天體如此接近超大質量黑洞時，都會發出重力波，並將天體拖向黑洞。 當白矮星繞圈靠近黑洞時，它的移動速度就會加快，這可以解釋為什麼研究團隊觀測到的X射線振盪頻率越來越高。

據估計，這顆白矮星距離事件視界只有幾百萬英里。 不過，研究人員預測這顆恆星不會墜落。 雖然黑洞的引力可能會把白矮星向內拉，但恆星也會把它的部分外層脫落到黑洞中。 這種脫落就像一個小的迴力，使白矮星–一個本身就非常緊湊的天體–能夠抵禦黑洞邊界的穿越。

卡拉說：”由於白矮星又小又緊湊，它們很難被撕碎，所以它們可以非常接近黑洞。如果這種情況是正確的，那麼這顆白矮星正好處於轉折點，我們可能會看到它越來越遠。

研究小組計劃利用現有和未來的望遠鏡繼續觀測該系統，以便更好地了解黑洞最內部環境中的極端物理現象。 一旦天基重力波探測器LISA發射升空（目前計劃在2030年代中期發射），他們將對該系統的研究感到特別興奮，因為該系統發出的引力波將處於LISA能夠清晰探測到的最佳位置。

馬斯特森說：”我從這個資訊來源中學到的一件事就是，永遠不要停止觀察它，因為它可能會給我們帶來新的啟示。下一步就是睜大眼睛。”

編譯自/ ScitechDaily