中国科学家“听”见6亿光年外的黑洞“心跳”

图片来源：金驰川、NASA戈达德太空飞行中心

在距离地球6亿光年外，有一个相当于200万个太阳质量的超大质量黑洞——RE J1034+396。相比于其他黑洞，它拥有的一个罕见特征——拥有大约每小时一次的“心跳”。

2007年，天文学家利用欧洲航天局的XMM-牛顿卫星在广阔宇宙中首次注意到它的“心跳”。这样的“心跳”有一个专业名称——X射线准周期振荡。在此之后，科学家又对它进行了3年的持续观测，但到了2011年，由于太阳的遮挡，人们不得不与它“告别”，对RE J1034+396“心跳”的监测中止了。

直到2018年，RE J1034+396再次出现在中国国家天文台、英国杜伦大学研究团队的视野中。他们也特别珍惜这次“久别重逢”，特地向欧洲航天局和美国航空航天局申请使用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列”卫星和“雨燕”卫星来观测RE J1034+396。这次，他们又有了一个惊人的发现：RE J1034+396不仅还在跳动，它的“心跳”信号更强了。这也是目前观测到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。最近，《英国皇家天文学会月刊》发表了他们的这一研究。

动图来源：Dr Frederic Vincent, Observatoire de Paris

值得一提的是，已经探测到的黑洞X射线准周期振荡非常罕见。另外两个具有“心跳”的黑洞，分别是于2011年发现，位于银河系旋臂内的小黑洞GRS1915+105；以及2016年由中国国家天文台在活动星系核1H 0707-495的X射线辐射中发现的高频准周期振荡信号。

动图来源：金驰川

这些令人惊喜的发现，也引出了一系列问题：黑洞的“心跳”是怎么产生的，是什么原因让它变得更强烈？此前的研究认为，黑洞的“心跳”应该和其附近的气体动力学过程相关。黑洞的吸积盘会不断吸引周围的物质，周围物质在接近黑洞时，会释放大量能量，产生X射线。X射线的周期性振荡，则可能源自事件视界附近高温物质的周期性结构变化。而关于黑洞“心跳”的具体原因，还有待进一步探究。论文通讯作者，国家天文台的金驰川研究员表示，这一信号首次证明来自超大质量黑洞的周期性信号可以长期保持稳定，并为我们提供了深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。

土星北极的风暴为什么是六边形？

土星是太阳系中的第二大行星，拥有美丽的冰环和至少82颗卫星。土星还是太阳系中风速最快（时速1800千米）的行星。在土星的赤道、南极和北极，时常会出现一些巨型风暴。

通过卡西尼号探测器，科学家看到了土星上最强烈的一次风暴。这场风暴一度席卷整个土星，肆虐了整整200天。下面的事实或许更能让人体会其威力：这些风暴形成前的乌云，就和地球一样大小。在土星北极出现的六角巨型风暴，更是足以吞噬2个地球。

图片来源：NASA/JPL-Caltech/SSI

在这些剧烈的风暴之下，科学家一直在思考一个问题：为什么土星北极出现的风暴是六边形的？当这一现象在1981年被首次发现后，科学家就一直试图解释其中的原因。最近，哈佛大学的研究人员发表于《美国科学院院刊》的文章，给出了他们的解释。

对于六边形风暴，此前有两种猜想：一种认为风暴的深度只有数百千米，此时大气压强大约为10倍地球标准大气压；另一种观点认为风暴源自数千千米深的纬向环流（zonal jets），这时的压强是前一种情况的数万倍。

卡西尼号在结束使命之前，曾观测到土星的纬向环流可以延续到压强相当于至少10万倍地球标准大气压的区域，这无疑为第二种猜想提供了可能。

动图来源：Yadav and Bloxham, PNAS, 2020

基于上述观测，研究人员构建3D模型来模拟土星六边形风暴是如何形成的。模型中，土星外层大气的热对流可以同时产生极地的巨型气旋、纬向环流以及向东的高纬度急流。模型呈现的纬向环流与实际观测非常相似，显示出模型的可靠性。而当极地气旋与向东的急流“拧”在一起，形成了风暴。虽然大气深处的气旋可以保持稳定，但浅层大气中的不稳定性使得风暴看起来更像是多边形。

虽然仍然无法完美地解释六角风暴形成的原因，但当有更多的观测数据时，我们将能更接近事实。