“閃爍”的黑洞釋放了什么信號？

本報記者 李思輝 通訊員 謝午陽

“整個宇宙，將為你閃爍。”這是科幻作品《三體》中描繪的經典場景。作品中，射電望遠鏡觀測到了肉眼看起來平靜，卻進行著強能量活動的“星空”。看到這一不尋常現象，故事中的主角為之興奮、詫異、震驚。

在現實中，這份因“閃爍”而引發的興奮，落在了武漢大學天文學系一個研究團隊身上。經過近4年的努力，武漢大學天文學系與中國科學院國家天文臺等單位合作，觀測到了“黑洞微類星體中的亞秒級周期射電振蕩”。相關研究成果近日發表于《自然》。

(資料圖片僅供參考)

武漢大學天文學系教授王偉告訴《中國科學報》，研究團隊觀測到的射電振蕩信號“就好像黑洞在‘閃爍’”。

探索神秘“新”信號

“心電圖可以反映人的身體狀況。類似的，宇宙中的天體也會發出一些特有信號，人們可以通過這些‘閃爍’了解它們內部發生的變化。”王偉解釋道。

其實，早在上個世紀，天文學家就開始探索天體的“閃爍”了。

20世紀60年代，英國科學家發現能穩定發射脈沖信號的致密天體脈沖星，記錄到其像心電圖一樣的系列脈沖。這一發現后來獲得了諾貝爾物理學獎，脈沖星也因其在天文研究中的重要性，被人們稱為“宇宙的燈塔”。

但是，天文學家并不想止步于此。盡管脈沖星“小小的身體里蘊藏著大大的質量”，其引力仍無法和黑洞相提并論。“我們常說，沒有一束光可以逃過黑洞的引力。”王偉分析說。

那么，沒有“光”，要通過什么來觀測？

“相關的研究有很多，但我們想做的是探索黑洞特殊的射電信號。”據王偉介紹，黑洞會把其周圍物質“拉”進來并加熱，之后再把它們“拋”出去，形成噴流。通過觀測微弱的噴流信號，科學家們就可以揭開黑洞神秘面紗的一角。

此前，王偉團隊主要使用“慧眼”衛星探索黑洞。隨著“中國天眼”（500米口徑球面射電望遠鏡，簡稱FAST）建成投入使用并產出很多天文新發現，一個大膽的想法在王偉心中萌生——能不能利用FAST觀測黑洞？

FAST主要觀測目標是脈沖星等天體，在科學目標設計上并沒有觀測黑洞這一項。 這一次，王偉團隊利用FAST，首次對黑洞微類星體開展時間分辨率高達50微秒的射電觀測。

“黑洞越神秘，我們就越想要探索。”王偉說，“我們做的是有史以來最高精度的黑洞射電觀測。”在50微秒的高時間精度下，黑洞在毫秒之間的變化都逃不過FAST的“眼睛”。

2019年有了初步想法，并申請到FAST觀測時間的王偉，開始推進這一課題。

自2020年初起，來自黑洞的微弱射電信號就開始源源不斷地被FAST接收并存儲下來。不過受疫情影響，數據一直無法獲取并進行分析。同年暑期，一名學生加入王偉團隊攻讀博士學位，開始參與處理這些已積累幾個月的觀測數據。

彼時，這名博士生還不知道這是怎樣的一個“大工程”。

“數據堆”里找“閃爍”

“從我2020年7月加入團隊，到這篇文章正式被接收，過了3年時間。”論文第一作者、團隊成員2023屆博士畢業生田鵬夫告訴《中國科學報》。

在這“漫長”的3年中，他的主要工作就是數據處理。

“其實，如果只是處理數據，不會花這么長時間。”田鵬夫說，“這與我起初對研究內容完全不熟悉有關。”

幾乎是從“零”開始的田鵬夫在合作團隊成員的指導下，學習相關的數據處理方法。但是，由于如此高精度的黑洞“閃爍”研究前所未有，即便有老師指導，也需要他自己摸索著前進。

編寫數據處理軟件系統、自組計算機集群、開拓新的物理途徑……相關研究工作幾乎都是從“新”開始。“由于觀測和數據分析方法都是全新的，很多工作都需要自行創造研究條件。因此，我們進行了艱難的嘗試。”王偉說。

2021年，該團隊在一堆數據中發現了一個“不一樣”的信號。興奮之下，驗證后的結果卻給大家潑了一盆冷水——這個信號是由于儀器自身的抖動造成的，與黑洞等天體無關。

回憶起當時的情景，田鵬夫至今仍有些挫敗感，“感覺心里空落落的。做了一年多，別說有結果，甚至連方法都是錯的”。

更令他著急的是，同一批跟著導師王偉讀博的3名博士研究生中，除他之外，另外兩名同學都頻頻發表SCI論文。其中一名同學3年發了3篇，平均一年1篇；另一名同學3年發了5篇，差不多半年1篇，而他聚焦的黑洞“閃爍”因為“太過虛幻”，直到臨近畢業，連一篇論文都沒有。

在這期間，因為壓力大，他常常焦慮得睡不著覺。手上這篇不知道何時才能完成的“黑洞”論文，成了壓在他心里的大石頭。

有一次，田鵬夫幾乎徹夜失眠。那天早上，他和王偉約好進行工作討論。“到了辦公室，我能聽到王老師在說話，至于他說的是什么意思，我根本反應不過來。”田鵬夫說，“感覺腦子里一團糨糊。”

由于黑洞的射電信號過于微弱，數據被干擾是常有的事。此前，背景干擾就曾蓋過了黑洞信號，王偉只好向FAST申請補償觀測。

“很幸運，那次補測剛好看到了這個信號。”王偉說。

獲得信號只是第一步。有了干擾的“前車之鑒”，團隊對此次補測所獲得的數據進行了更多檢查，證明它真實存在。

基于這次觀測數據，2022年暑期論文終于投出去了。

坐著“過山車”改稿

“審稿的過程，就像坐過山車一樣。”田鵬夫回憶，論文一審意見比較積極，這讓他很高興，覺得修改之后就可以發表。但到了二審時，多位審稿人卻持截然不同的態度，致使論文遲遲沒有被接收。

田鵬夫的心情“每況愈下”。

在這期間，為了不讓學生承受更大壓力，王偉沒讓田鵬夫參與審稿的過程，而是將難題留給了自己。

黑洞的射電脈沖信號十分微弱，人們依然不清楚它的物理本質。在這篇論文之前的版本中，該團隊構建了一個物理模型，試圖就這一發現講一個合理的科學故事。

“隨著和審稿人、主編之間來回‘交涉’，我們最后把所有物理模型和故事全部去掉，將它變成一篇單純闡述科學現象發現的論文。”王偉說。

功夫不負有心人。經過多次觀測，該團隊在2021年1月和2022年6月兩次發現黑洞存在暫現的亞秒級射電準周期振蕩現象。這說明，這種現象不是偶然的，論文因此很快被接收。

“這種奇特的現象是第一次在黑洞系統中被看到。”王偉介紹，此次黑洞“閃爍”的發現，對于揭示致密天體相對論性射電噴流的起源與動力學過程具有重要科學意義，將打開黑洞射電觀測和理論研究的新思路。

“對我個人來說，近一年的審稿歷程具有很大的挑戰性，不過4年的堅持總算有了收獲。”王偉說。

對田鵬夫來說，這篇3年磨一劍的論文，趕在博士學位答辯之前正式發表，讓他的博士生涯從寂寂無名、“暗淡無光”，到廣受關注、豁然開朗。“就是那種苦盡甘來的快樂！”田鵬夫高興地告訴記者。

王偉也很高興，一是終于沒有耽誤學生，二是研究上又向前走了一步。半年多沒發過朋友圈的他連發了兩條動態。他寫道：“黑洞中還存在很多未知的現象，期待可以帶著學生繼續用FAST等高靈敏度天文望遠鏡，獲得更多發現。”

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06336-6

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