国家天文台揭示恒星级黑洞到超大质量黑洞的普遍尺度关系

　　中国科学院国家天文台高能天体物理研究组最新研究结果揭示了一个从恒星级黑洞到星系中心超大质量黑洞的普遍尺度关系。该工作即将发表在《天体物理期刊通讯》上（周新霖、袁为民等,ApJ Letter, 2015, 798, L5；arXiv:1411.7731）。

　　黑洞无毛定理认为，黑洞的性质可以由很少的物理量决定，包括质量、自旋和电荷。其中电荷很快会和周围环境的电荷中和而变得电中性。因此天文观测上黑洞只由质量和自旋两个物理量完全的描述。这实际上暗示了对于所有黑洞存在简单的尺度关系。然而，由于黑洞吸积流不同吸积率时的复杂观测效应，以及跨尺度的黑洞质量测量的困难性，这样一个简单的尺度关系是很难获得的。该项研究工作基于十年前著名天体物理学家Abramowicz等人的一个想法，即高频准周期震荡的频率只和黑洞的质量和自旋有关。在前人提出的恒星级黑洞存在该关系的基础上，国家天文台研究人员找到了新的观测证据，揭示了高频准周期震荡的频率和黑洞质量反相关是一个普遍的尺度关系，即从恒星级黑洞一直延伸到星系中心超大质量黑洞，跨越了黑洞质量的七个以上的数量级。而仅有的弥散来自黑洞自旋。该尺度关系可以用来精确限制和测量黑洞的质量或自旋。

　　天体物理黑洞分为恒星级黑洞（1-10个太阳质量），星系中心的超大质量黑洞（>100000个太阳质量）和介于两者之间的中等质量黑洞。在银河系内的X射线双星的功率谱密度图上经常可以发现准周期震荡。其中40-450 Hz频率的准周期震荡称为高频准周期震荡，它们可能成对出现，常常符合3:2或者3:1的频率比。高频准周期震荡的频率一般不随X射线流量变化，表明它们和黑洞的基本参量、质量和自旋相关。对于更大质量的黑洞也发现了高频准周期震荡的类似规律。例如极亮X射线源M82 X-1存在3：2的准周期震荡，并证认它为一个前所未见的400个太阳质量的黑洞。一般黑洞分为恒星级黑洞（1-10个太阳质量），星系中心的超大质量黑洞（>100000个太阳质量）和介于两者之间的中等质量黑洞。对于恒星级黑洞，通常可以用测量伴星轨道运动的方法测质量；对于星系级超大质量黑洞，可以用星系的尺度关系来估计黑洞质量。而对于中等质量黑洞，还缺乏有效的黑洞质量测量的方法。

　　高频准周期震荡的频率和黑洞质量反相关的普遍尺度关系可以在七个以上的数量级上用来精确限制和测量黑洞的质量或自旋。一个特别的应用就是可以证认中等质量黑洞，填补宇宙中黑洞质量分布的空白区域。

　　图：实线指示从三个X射线双星得出的普遍尺度关系并外推到超大质量黑洞的范围。绿色的折线指示一个3:2共振和黑洞自旋为最大的模型线。点折线指示一个3:1共振和黑洞自旋为最大的模型线，点线指示自旋为零的黑洞的开普勒频率。从黑洞X射线双星到活动星系核符合一个普遍的尺度关系表明这些黑洞可能都是有中等或者较高的自旋的。