首次觀測到吸積盤-噴流共同進動，直接驗證愛因斯坦廣義相對論

潮汐瓦解事件（Tidal Disruption Events, TDEs）是宇宙中最壯觀且信息最豐富的現(xiàn)象之一。它們發(fā)生在當一顆恒星被一個星系中心的超大質量黑洞的強大潮汐力撕碎時。隨后，恒星物質的碎屑形成一個短暫、極端熾熱的吸積盤，為黑洞提供燃料，并在此過程中釋放出強大的高能輻射爆發(fā)。這些事件不僅為我們提供了一個觀測休眠黑洞“進食”的獨特窗口，更重要的是，它們是檢驗廣義相對論在極端引力場附近預言的理想實驗室。

發(fā)表在《科學進展》的論文《Detection of disk-jet coprecession in a tidal disruption event》報道了對 TDE AT2020afhd的詳細觀測，提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)，證明了吸積盤和相對論性噴流的共同進動。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了長期以來關于黑洞吸積物理學的理論預測，也為理解黑洞周圍時空動力學和噴流形成機制開啟了新的篇章。

理論基石：朗斯-瑟林效應與進動

理解這項發(fā)現(xiàn)的關鍵在于廣義相對論的一個核心預測：朗斯-瑟林效應（Lense-Thirring effect），或稱慣性系拖曳。

一個旋轉的質量體，如一個快速旋轉的黑洞，會扭曲并拖曳其周圍的時空。對于一個傾斜（與黑洞自旋軸不平行）的吸積盤而言，這種時空拖曳會在盤上施加一個相對論性轉矩。這個轉矩不會使吸積盤立即與黑洞的赤道面對齊，而是會導致吸積盤的軌道平面圍繞黑洞的自旋軸緩慢地進動。

在 TDE 的背景下，新形成的吸積盤通常是厚且高度傾斜的，這使得朗斯-瑟林進動成為一個必然的動態(tài)過程。如果黑洞同時驅動了一個噴流，那么這個噴流通常會垂直于吸積盤的內側區(qū)域發(fā)射。因此，吸積盤的進動會直接導致噴流方向的周期性變化，即吸積盤-噴流共同進動。理論預測，噴流方向的周期性擺動將導致其輻射被觀測到的強度發(fā)生周期性調制。

核心發(fā)現(xiàn)：AT2020afhd 的準周期振蕩

該論文的核心觀測對象是 TDE AT2020afhd。對這一事件的長期監(jiān)測揭示了兩個關鍵波段的顯著特征：

1. X射線準周期振蕩 ：在高能 X 射線波段，觀測到了異常劇烈且規(guī)律的亮度變化，其振幅超過了一個數(shù)量級。
2. 射電準周期振蕩：令人震驚的是，在射電波段，也發(fā)現(xiàn)了與之高度相關的周期性變化。

周期性匹配：通過詳細的時間序列分析，研究人員確定了 X 射線和射電輻射都表現(xiàn)出令人信服的 19.6 天的準周期性變化。

同步性意義：觀測到的一個數(shù)量級的 X 射線變化，以及 X 射線和射電輻射的近乎同步（或略有時間延遲）的變化，是共同進動機制最直接的證據(jù)。

• X 射線輻射通常來自黑洞附近吸積盤的內側和噴流的基部。
• 射電輻射則來自噴流更遠、速度較低的部分。

如果兩種輻射具有相同的周期性，并保持同步，則強烈表明它們由一個共同的幾何調制機制所控制，這個機制影響了噴流相對于觀測者的視角。當噴流軸周期性地向或遠離我們擺動時，由于相對論性聚束效應，我們觀測到的噴流亮度會周期性地增強和減弱，從而產(chǎn)生準周期振蕩。

理論建模與參數(shù)約束

為了量化這一觀測，研究團隊采用了一個基于朗斯-瑟林效應的吸積盤-噴流進動模型來擬合觀測到的 19.6 天周期。

進動周期的公式：朗斯-瑟林進動周期Pprec主要取決于黑洞的質量 MBH、黑洞的無量綱自旋參數(shù) a*，以及進動區(qū)域的特征半徑 rprec。

通過將觀測到的周期Pobs=19.6天，以及對該黑洞質量的估計（~10^6太陽質量），模型對進動半徑rprec和黑洞自旋a*施加了嚴格的約束。

模型結果與低自旋黑洞：模型的成功擬合尤其值得注意，因為它表明：

• 進動區(qū)域：進動發(fā)生在吸積盤的內側，靠近黑洞。
• 黑洞自旋：擬合模型強烈傾向于一個較低的黑洞自旋參數(shù)。

這一發(fā)現(xiàn)具有深遠的意義，因為它暗示了驅動 TDE 噴流的黑洞并非一定是極高自旋的黑洞（通常認為高自旋是高效能噴流的必要條件），這挑戰(zhàn)了部分噴流形成理論。

發(fā)現(xiàn)的科學意義與展望

《Detection of disk-jet coprecession in a tidal disruption event》的發(fā)現(xiàn)是天體物理學領域的里程碑事件：

1. 廣義相對論的直接檢驗

這項工作為黑洞周圍的 時空拖曳現(xiàn)象，特別是朗斯-瑟林進動，提供了最直接、最清晰的觀測證據(jù)之一。在 TDE 這一極端且受控的環(huán)境下，周期性幾何調制機制的明確探測，有力地證明了愛因斯坦理論在黑洞視界附近的正確性。

2. 噴流形成與吸積物理學

共同進動的觀測提供了關于噴流形成和吸積盤結構的關鍵信息。它支持了盤內區(qū)域（而不是黑洞最深處）的動力學對噴流方向和觀測亮度的強烈影響。這有助于我們區(qū)分黑洞自旋驅動的噴流（Blandford-Znajek 機制）和吸積盤驅動的噴流（Blandford-Payne 機制）在不同黑洞參數(shù)下的作用。

3. TDE 觀測的新窗口

這項研究揭示了 TDE 中以前未曾記錄的短期射電可變性，凸顯了對這些瞬變現(xiàn)象進行高頻次、多波段監(jiān)測的重要性。傳統(tǒng)的 TDE 觀測可能錯過了這種快速的幾何調制，從而低估了黑洞周圍的動態(tài)復雜性。未來的高頻次射電和 X 射線監(jiān)測將成為常規(guī)手段，以識別和研究更多正在進動的盤-噴流系統(tǒng)。

結論

TDE AT2020afhd 中吸積盤-噴流共同進動的探測，代表了我們對黑洞物理學理解的一次重大飛躍。它將觀測到的瞬態(tài)天體物理學現(xiàn)象與廣義相對論的精確定量預測緊密地聯(lián)系起來。這項研究不僅為朗斯-瑟林效應提供了令人信服的證據(jù)，還為我們研究黑洞自旋、吸積盤幾何和相對論性噴流的形成與傳播機制提供了強大的新工具。隨著未來更靈敏望遠鏡的投入使用，我們有理由期待在宇宙的極端引力環(huán)境中發(fā)現(xiàn)更多關于時空動態(tài)行為的秘密。