舞曲的旋律響起時，大家會想到什么？燈光、音樂、舞池里盡情搖擺的人群？會有小伙伴由此聯想到有東西隨著黑洞一起搖擺嗎？那我們先看看這段視頻。
視頻里像絲帶一樣的東西是什么呢？它為什么會隨著黑洞搖擺？帶著這個問題我們來看看什么是黑洞，教科書上說它是愛因斯坦廣義相對論的預言，公眾認為它是宇宙中吞噬一切的怪物，而今年的諾獎評委認為它十分重要，值得諾獎的認可。
我們今天故事的主角就是黑洞，但是不同于諾獎得主萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲發現的銀河系中心的超大質量黑洞，它是質量輕五十萬倍的小兄弟，一顆恒星級質量黑洞。大于20個太陽質量的恒星，在其生命終點時，核心會塌縮成為恒星級質量黑洞，銀河系內可能存在上億個這樣的黑洞，但這些黑洞大多孤孤單單的存在著，沒有恒星與之作伴。所以，它們只能吸積周圍空間中的星際介質，而星際介質本身的密度又極低，因此這些黑洞的輻射就相當微弱，人們很難看到它們。
而少數黑洞由于有恒星與之作伴，形成雙星系統，黑洞的強引力可以俘獲來自伴星的物質。來自伴星充足的物質供給，可以使黑洞周圍形成吸積盤，并產生噴流（見圖1）。隨著吸積物質引力勢能的釋放，這些黑洞可以發出明亮的輻射，我們也就有可能觀測到它們。
圖1. 黑洞雙星示意圖。黑洞吸積來自伴星的物質，形成吸積盤，并產生噴流（圖源：G Pérez Díaz (IAC)）
結束上面這一段類似教科書上的介紹后，我們開始揭曉謎底了。這個像絲帶一樣的東西就是科學家想象中的噴流。那噴流又是什么？噴流是一種運動速度接近光速的高速物質流。
黑洞吞噬周圍物質的過程中，也就是黑洞在吃東西的過程中，會對周圍環境產生一些反饋，而噴流就是黑洞系統對周圍環境產生顯著反饋影響的一種主要手段。
那噴流為什么會搖擺呢？答案是因為黑洞在旋轉。旋轉的黑洞會拖曳了周圍的彎曲時空，所以噴流就會隨著黑洞搖擺。
現在，可能有小伙伴會問，這些都是科學家的想象，有證據嗎？還真有！
慧眼衛星團隊在上個月發布消息，他們發現了能量最高（200 千電子伏特以上）的低頻準周期振蕩現象，而產生這個現象的源頭就是噴流?？赡苄』锇閭冇忠苫罅耍裁词堑皖l準周期振蕩現象？為什么產生它的源頭是噴流？
長話短說，低頻準周期振蕩現象就是“低頻”＋“準周期”＋“振蕩”＋“現象”：“低頻”的意思就是說還有高頻，“準周期”就是說它不是精確的周期性的，“振蕩”就是說會出現高低起伏的變化，“現象”意味著是我們能夠觀測到的。
所以，低頻準周期振蕩（簡稱低頻QPO）就是這樣一類特殊的觀測現象，它表現為一些黑洞雙星的輻射強度會出現類似周期性的高低變化（見圖2），而且這種變化卻不是精確周期性的。這種變化的頻率從幾秒鐘一次到1秒鐘幾十次。
低頻QPO發現于上世紀80年代，它在黑洞雙星中普遍存在。關于它的物理起源，有些科學家認為，當伴星的物質被黑洞吸引，在旋轉落向黑洞的過程中會形成吸積盤，而在這個過程中，吸積盤上可能會出現一些不穩定性，引起X射線輻射發生類似周期性的調制，產生低頻QPO。
而另外一些科學家認為，在靠近黑洞的地方，會有一團由熱等離子體組成的結構，這個結構的內部可能會發生振蕩，或者這個結構的指向可能會繞著黑洞的自轉軸旋轉（也就是發生進動），導致X射線輻射發生類似周期性的調制，產生低頻QPO。
圖2. 低頻QPO表現為亮度類似周期性的高低變化（圖源：慧眼團隊）
那低頻QPO怎么會和噴流聯系起來呢？這團由等離子體組成的結構可能就是尺度比較小的噴流，這個噴流繞著黑洞旋轉，形象地可以理解為隨著黑洞一起搖擺。
在搖擺的過程中，當噴流朝向我們時，我們看到的噴流就會亮一些，而當噴流遠離我們的時候，看到的亮度就會暗一些。而且，噴流是繞著黑洞自轉軸一圈又一圈地搖擺的，所以這種亮度變化是類似周期性的。可見低頻QPO現象就自然產生了。
視頻2. 噴流搖擺產生低頻QPO（來源：慧眼團隊）
這時，大家可能還有疑問，既然上面說到低頻QPO可能來源于吸積盤，那為什么慧眼衛星看到的低頻QPO就不會來自于吸積盤呢？因為它的能量實在是太高了，超過200千電子伏特！而吸積盤的溫度最多也就幾個千電子伏特。
好了，今天關于噴流隨著黑洞搖擺的故事就到這里了，最后還得感謝慧眼衛星，因為它對高能光子具有最強的收集能力，所以才讓我們能夠看到如此有趣的現象。
圖3. 慧眼衛星看到來自于噴流的低頻QPO（圖源：慧眼團隊）
作者簡介：陶煉，中科院高能所特聘青年研究員，慧眼衛星團隊成員。馬想，中科院高能所副研究員，慧眼衛星團隊成員。
來源： 光明網
