天文学家从100亿光年外的遥远黑洞探测到宇宙“心跳”

天文学家从100亿光年外的遥远黑洞探测到宇宙“心跳”

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：在宇宙深处，近百亿光年之外，隐藏着一盏炽热的灯塔，被称为 4FGL J0309.9-6058。对于我们大多数人来说，这个名字听起来像是一串随机数，但对于天文学家来说，它标志着最近发现的最有趣的宇宙现象之一。上海师范大学的一组研究人员和他们的合作者利用美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜发现了来自这个遥远的耀斑的神秘、有节奏的脉冲。这一发现于 10 月 24 日在 arXiv 预印本服务器上发布，为超大质量黑洞在遥远星系中心的行为方式这一宇宙谜题增添了新的一块。

要理解这一发现的意义，首先要了解什么是火器。耀斑是已知宇宙中最亮、最猛烈的物体之一。它位于星系的中心，由一个质量比太阳大数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞提供动力。

这些宇宙怪物以周围的气体和尘埃为食，通过称为吸积盘的旋转盘将物质向内拉。在这个过程中，一些落入的物质通过巨大的能量射流以接近光速向外抛出。当其中一个喷流恰好几乎直接瞄准地球时，我们会看到一个耀斑——一座耀眼、闪烁的宇宙灯塔，在数十亿光年之外都可见。

耀斑是一种特殊类型的活动星系核 （AGN），其中心异常明亮，由吸积黑洞提供动力。天文学家将耀斑分为两种主要类型：平谱射电类星体 （FSRQ），其光谱中显示出宽而突出的发射线，以及缺乏此类特征的 BL Lacertae 天体 （BL Lacs）。

这项新研究中的耀斑 4FGL J0309.9-6058，也称为 PKS 0308-611，属于 FSRQ 类。它位于大约 1.48 的红移处，这意味着我们今天看到的光是在宇宙不到当前年龄的一半时开始它的旅程。

天文学家早就知道，耀斑是动态的，其亮度可能会在几天、几周甚至几年内发生巨大变化。但在极少数情况下，它们的光会显示出重复的节奏——准周期振荡，或 QPO。检测到这样的模式就像在遥远星系的光线下找到心跳一样。

在上海师范大学吴静宇的领导下，研究团队分析了费米伽马射线太空望远镜多年来收集的数据，该望远镜在 0.1-300 吉电子伏特 （GeV） 的高能范围内观测宇宙。该团队使用伦-斯卡格尔周期图、REDFIT 和加权小波 Z 变换等先进的统计方法，在 4FGL J0309.9-6058 的伽马射线发射中寻找规则模式。

他们的发现令人震惊：在耀斑的伽马射线发射中大约每 550 天（大约一年半）重复一次周期性信号。这个 QPO 不是随机波动。它的显着性水平在局部达到 3.72σ，在全球达到 2.72σ——这意味着它是巧合的可能性相当低。

团队并没有就此止步。他们将伽马射线数据与光学观测结果进行了比较，发现了更有趣的事情：光学光比伽马射线滞后约 228 天。这种延迟表明光学和伽马射线发射不是在同一区域产生的。相反，它们可能起源于耀斑强大喷流沿线的不同区域——可能与中心黑洞的距离不同。

这种分离提供了一个重要的线索。如果伽马射线发射到离黑洞更近的地方，而光学光发射得更远，那么时间滞后可以告诉科学家喷流本身的结构和运动。

当面对这样的宇宙节奏时，天文学家自然会问：是什么原因造成的？

该团队考虑了几种可能性。一种假设涉及在星系核心存在两个相互绕行的超大质量黑洞。如果 4FGL J0309.9-6058 拥有双黑洞系统，轨道运动可能会在吸积盘或喷流方向上产生周期性变化，从而导致亮度的反复变化。

然而，研究人员发现这种解释并不完全符合数据。振荡的时间尺度和观察到的时间滞后的性质表明了不同的情况——急流进动。

想象一下，一个陀螺在转动时会慢慢摆动——这种摆动被称为进动。类似的过程也可能发生在耀斑中，黑洞发射的高能粒子射流随着时间的推移缓慢改变方向。如果喷流是进动的，其光束相对于地球的角度会周期性地变化，从而导致从我们的有利位置看到的亮度波动。

根据 Wu 和他的团队的说法，喷流进动为 4FGL J0309.9-6058 中的 550 天振荡提供了最合理的解释。当喷流稍微向地球摆动并远离地球时，观测到的伽马射线强度有节奏地上升和下降。光学信号和伽马射线信号之间的时间滞后可以理解为在进动射流沿线的不同点产生的发射的结果。

“喷流进动模型成为最有希望的解释，”研究人员总结道。“进动射流在光学和伽马射线频段产生 QPO 信号，观测到的时间滞后揭示了这些发射区域之间的距离。”

在 4FGL J0309.9-6058 中鉴定出 QPO 不仅仅是另一个观察结果，它还增加了越来越多的证据，表明一些耀斑表现出结构化的周期性行为，而不是纯粹的随机变异性。这些宇宙节律可以揭示超大质量黑洞事件视界附近发生的物理过程，其中引力、磁力和相对论以极端方式交织在一起。

检测 QPO 还提供了一个了解 blazar 喷流几何形状的罕见窗口。了解这些喷流如何形成、稳定和进动至关重要，因为它们在塑造宿主星系和影响星际环境方面发挥着关键作用。喷流可以携带大量能量跨越很远的距离，调节恒星的形成并在整个宇宙中重新分配物质。

此外，一些耀斑可能蕴藏双超大质量黑洞的可能性具有深远意义。当两个这样的巨星盘旋在一起时，它们有望产生强大的引力波——爱因斯坦广义相对论预测的时空涟漪。对耀斑中周期性信号的观测有朝一日可能有助于识别即将合并的系统，为在哪里寻找这些宇宙引力波信标提供间接线索。

每一个天文发现的背后，都隐藏着人类的好奇心和毅力。对于研究人员来说，探测埋藏在多年伽马射线数据中的微弱节律信号需要细致的分析和不懈的动力，以在宇宙混乱中寻找秩序。

伽马射线是宇宙中能量最高的光形式，是出了名的难以研究。地面天文台无法探测到它们，因为地球大气层阻挡了它们。美国宇航局的费米望远镜自 2008 年以来一直在地球上空运行，它打开了一扇通往这个高能宇宙的新窗口，揭示了数千个以前未知的来源。

对于吴靖宇和团队来说，这一发现提醒我们，即使在一个看似混乱的过程支配的宇宙中，也可能出现模式——这些模式可能讲述着旋转的黑洞、舞动的喷流和锁定在永恒运动中的星系的故事。

更多信息：Jingyu Wu 等人，4FGL J0309.9-6058 γ射线光曲线准周期振荡的检测，arXiv （2025）。DOI：10.48550/arxiv.2510.21205