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撰文 | Riccardo Arcodia（馬普地外研究所博士生）

譯者 | 不怎么看星星

2019年9月，我有幸參與了在意大利博洛尼亞舉辦的X射線天文十年會議。當(dāng)時(shí)，Giovanni Miniutti在大會上做了一場關(guān)于首個(gè)超大質(zhì)量黑洞準(zhǔn)周期爆發(fā)現(xiàn)象的口頭報(bào)告。Giovanni及其合作 者發(fā)現(xiàn)在一個(gè)名為GSN 069的星系中央核區(qū)，每幾個(gè)小時(shí)就會有一次X射線耀發(fā)。我當(dāng)時(shí)聽得目瞪口呆。考慮到我還只是一個(gè)科研生涯才剛起步的博士生，我不太確定我的反應(yīng)是否過激。直到 我發(fā)現(xiàn)更資深的學(xué)者們紛紛把目光從各自的筆記本屏幕移開，并全神貫注地聽Giovanni的報(bào)告時(shí) ，我相信這個(gè)新穎的觀測現(xiàn)象是驚世駭目的。除了Giovanni的報(bào)告之外，Margherita Giustini及其 合作者也展示了一張關(guān)于從XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡已公開數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)超大質(zhì)量黑洞準(zhǔn)周 期爆發(fā)現(xiàn)象的海報(bào)。超大質(zhì)量黑洞準(zhǔn)周期爆發(fā)之謎由此正式確立。在此次會議的合照中，我顯然 并沒有在想如何利用新近發(fā)射的eROSTIA空間望遠(yuǎn)鏡來尋找新的準(zhǔn)周期爆發(fā)現(xiàn)象。事實(shí)上，照片 中的我應(yīng)該想的是如何在其他300多位與會學(xué)者之前率先品嘗美味的自助餐，而這正是我站位如 此靠后，離入口如此近的原因。

 X射線天文2019會議全家福

綠圈高亮的就是即將沖向自助餐的我。 從意大利博洛尼亞回到德國慕尼黑后，當(dāng)時(shí)還一頭霧水的我和我的兩位導(dǎo)師Andrea Merloni以及 Paul Nandra講述了如何用eROSITA來尋找更多準(zhǔn)周期爆發(fā)顯現(xiàn)的想法。我的導(dǎo)師們幫我理清頭 緒，一個(gè)清晰的觀測計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。由于XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡的公開申請觀測截止日期迫在眉睫 ，在包括我的兩位導(dǎo)師在內(nèi)的眾多合作者的幫助下，我們迅速地完成了一份通過eROSTIA觀測觸 發(fā)XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡后隨觀測的提案。2019年12月13日，eROSITA正式開始了為期半年的第 一期在0.2-8 keV能段的X射線巡天觀測（預(yù)計(jì)在4年內(nèi)完成共8次巡天觀測）。巡天過程中，隨著 視場不斷移動，每片天區(qū)的曝光時(shí)間短則240秒左右，長則近24小時(shí)（緯度越高，曝光時(shí)間越長）。受限于曝光時(shí)長，持續(xù)周期在幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)的耀發(fā)現(xiàn)象是理想的觀測目標(biāo)。不過eROSTIA 的巡天模式使得我們既無法觀測到大量的耀發(fā)源，也無法對耀發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行迅速認(rèn)證。通過觀測模 擬，我們預(yù)計(jì)每年能通過eROSITA觀測到1次準(zhǔn)周期耀發(fā)現(xiàn)象。說實(shí)話，如果一年內(nèi)我們一次都沒 有觀測到準(zhǔn)周期耀發(fā)現(xiàn)象，我也會坦然接受。畢竟模擬觀測中有很多參數(shù)有較大的不確定性，而 且作出預(yù)言的博士生正是在下。出人意料的是，我們的預(yù)期竟然八九不離十（劇透一下，我們在一 年的觀測周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)準(zhǔn)周期耀發(fā)現(xiàn)象?。?。 疫情期間時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼就到了2020年7月中旬，我的準(zhǔn)周期耀發(fā)課題研究已逐步成型并進(jìn)展順 利。一個(gè)潛在目標(biāo)源在eROSITA第一期巡天（eRASS1）數(shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)，并成功觸發(fā)了XMM牛頓空 間望遠(yuǎn)鏡的后隨觀測。我們還沒來得及了解第一個(gè)目標(biāo)源，第二個(gè)目標(biāo)源在eROSITA第二期巡天 （eRASS2）數(shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)，XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡的首席科學(xué)家Norbert Schartel非常友善地批準(zhǔn) 了Director Discretionary Time觀測申請。XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)證實(shí) 了兩個(gè)目標(biāo)源的 準(zhǔn)周期耀發(fā)現(xiàn)象（如下圖所示）。其中一個(gè)目標(biāo)源的耀發(fā)持續(xù)時(shí)間很長，以至于長達(dá)近25小時(shí)的 XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡觀測無法限制耀發(fā)的周期。因此，我們申請并獲得了共計(jì)11天的NICER空間 望遠(yuǎn)鏡的密集監(jiān)測。NICER空間望遠(yuǎn)鏡的首席科學(xué)家Keith Gendreau在分享NICER預(yù)覽數(shù) 據(jù)時(shí) 難掩激動的心情。

左圖：X射線準(zhǔn)周期耀發(fā)宿主星系的光學(xué)觀測圖。綠線為NICER空間望遠(yuǎn)鏡所觀測到的X射線光變 曲線。該星系名為2MASS 02314715-1020112（紅移約為0.051）。X射線耀發(fā)的峰的值時(shí)間間隔約 為18.5小時(shí)。右圖：發(fā)生在2MASX J02344872-4419325（紅移約為0.018）星中系的X射線準(zhǔn)周期 耀發(fā)。玫紅色線為XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡所觀測到的X射線光變曲線。X射線耀發(fā)的峰值的時(shí)間間 隔約為2.4小時(shí)。Credits: DESI Legacy Imaging Survey DR8 / D. Lang (Perimeter Institute). Riccardo Arcodia and MPE for the overlaid X-ray light curves. 

在一個(gè)月內(nèi)，X射線數(shù)據(jù)處理基本完成。同時(shí)我們還首次得到了兩個(gè)宿主星系的光學(xué)光譜。光學(xué) 光譜揭示了其中一個(gè)宿主星系是被動演化星系，而另一個(gè)則是產(chǎn)星星系。這一發(fā)現(xiàn)使得我們的研 究成果在《自然》雜志上發(fā)表。這是因?yàn)槲覀冇^測的兩個(gè)宿主星系的性質(zhì)與此前觀測到的兩個(gè)宿主 星系——活動星系核——截然不同。這一發(fā)現(xiàn)的重要性不言而喻，我非常感激Gabriele Ponti和 Erin Kara兩位合作者將其一語道破。新觀測到的非活躍星系表明活動星系核的吸積過程不是準(zhǔn)周期現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件，只要是個(gè)超大質(zhì)量黑洞即可。事實(shí)上，我們的觀測數(shù)據(jù)也和現(xiàn)有諸多的 吸積盤不穩(wěn)定性模型相悖。一個(gè)可行的物理解釋是一個(gè)極小的致密天體圍繞著質(zhì)量較低的超大質(zhì) 量黑洞（其質(zhì)量可達(dá)太陽質(zhì)量的10萬倍至1000萬倍）。這也是對GSN 069準(zhǔn)周期耀發(fā)現(xiàn)象的一個(gè) 可行的解釋。該理論解釋的一大優(yōu)勢在于不久的將來，隨著軌道周期在數(shù)月后的變化，我們可以 對其從觀測上進(jìn)行驗(yàn)證。相應(yīng)的NICER衛(wèi)星和Swift雨燕衛(wèi)星的觀測正在進(jìn)行中。更有趣的是類似 的質(zhì)量比懸殊的兩體繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)將被未來的包括LISA在內(nèi)的引力波探測器所觀測到。這可能多信使 天文觀測時(shí)代寫下一個(gè)新的篇章。 我個(gè)人對此次發(fā)現(xiàn)是無比激動的，甚至許久之后我才意識到《自然》雜志刊文的第一作者正是我自 己。如果幾年前有人告訴我會在博士期間發(fā)表《自然》雜志的一作論文，我絕不會相信。就在去年 夏天，我還向我的幾個(gè)好友許諾如果我們的研究成果在《自然》雜志發(fā)表，我要請他們享用一頓大 餐（他們表示我當(dāng)時(shí)承諾的是一個(gè)高檔餐廳，對此我們各執(zhí)一詞）。我想疫情結(jié)束后，我會欣然地 和好友們?nèi)ゴ罂於漕U慶祝一番的。