國家天文臺揭示恒星級黑洞到超大質量黑洞的普遍尺度關系

　　中國科學院國家天文臺高能天體物理研究組最新研究結果揭示了一個從恒星級黑洞到星系中心超大質量黑洞的普遍尺度關系。該工作即將發表在《天體物理期刊通訊》上（周新霖、袁為民等,ApJ Letter, 2015, 798, L5；arXiv:1411.7731）。

　　黑洞無毛定理認為，黑洞的性質可以由很少的物理量決定，包括質量、自旋和電荷。其中電荷很快會和周圍環境的電荷中和而變得電中性。因此天文觀測上黑洞只由質量和自旋兩個物理量完全的描述。這實際上暗示了對于所有黑洞存在簡單的尺度關系。然而，由于黑洞吸積流不同吸積率時的復雜觀測效應，以及跨尺度的黑洞質量測量的困難性，這樣一個簡單的尺度關系是很難獲得的。該項研究工作基于十年前著名天體物理學家Abramowicz等人的一個想法，即高頻準周期震蕩的頻率只和黑洞的質量和自旋有關。在前人提出的恒星級黑洞存在該關系的基礎上，國家天文臺研究人員找到了新的觀測證據，揭示了高頻準周期震蕩的頻率和黑洞質量反相關是一個普遍的尺度關系，即從恒星級黑洞一直延伸到星系中心超大質量黑洞，跨越了黑洞質量的七個以上的數量級。而僅有的彌散來自黑洞自旋。該尺度關系可以用來精確限制和測量黑洞的質量或自旋。

　　天體物理黑洞分為恒星級黑洞（1-10個太陽質量），星系中心的超大質量黑洞（>100000個太陽質量）和介于兩者之間的中等質量黑洞。在銀河系內的X射線雙星的功率譜密度圖上經常可以發現準周期震蕩。其中40-450 Hz頻率的準周期震蕩稱為高頻準周期震蕩，它們可能成對出現，常常符合3:2或者3:1的頻率比。高頻準周期震蕩的頻率一般不隨X射線流量變化，表明它們和黑洞的基本參量、質量和自旋相關。對于更大質量的黑洞也發現了高頻準周期震蕩的類似規律。例如極亮X射線源M82 X-1存在3：2的準周期震蕩，并證認它為一個前所未見的400個太陽質量的黑洞。一般黑洞分為恒星級黑洞（1-10個太陽質量），星系中心的超大質量黑洞（>100000個太陽質量）和介于兩者之間的中等質量黑洞。對于恒星級黑洞，通常可以用測量伴星軌道運動的方法測質量；對于星系級超大質量黑洞，可以用星系的尺度關系來估計黑洞質量。而對于中等質量黑洞，還缺乏有效的黑洞質量測量的方法。

　　高頻準周期震蕩的頻率和黑洞質量反相關的普遍尺度關系可以在七個以上的數量級上用來精確限制和測量黑洞的質量或自旋。一個特別的應用就是可以證認中等質量黑洞，填補宇宙中黑洞質量分布的空白區域。

　　圖：實線指示從三個X射線雙星得出的普遍尺度關系并外推到超大質量黑洞的范圍。綠色的折線指示一個3:2共振和黑洞自旋為最大的模型線。點折線指示一個3:1共振和黑洞自旋為最大的模型線，點線指示自旋為零的黑洞的開普勒頻率。從黑洞X射線雙星到活動星系核符合一個普遍的尺度關系表明這些黑洞可能都是有中等或者較高的自旋的。