马普地外所博士生《自然》杂志一作论文的幕后故事-ag凯发真人

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撰文 | riccardo arcodia（马普地外研究所博士生）

译者 | 不怎么看星星

2019年9月，我有幸参与了在意大利博洛尼亚举办的x射线天文十年会议。当时，giovanni miniutti在大会上做了一场关于首个超大质量黑洞准周期爆发现象的口头报告。giovanni及其合作 者发现在一个名为gsn 069的星系中央核区，每几个小时就会有一次x射线耀发。我当时听得目瞪口呆。考虑到我还只是一个科研生涯才刚起步的博士生，我不太确定我的反应是否过激。直到 我发现更资深的学者们纷纷把目光从各自的笔记本屏幕移开，并全神贯注地听giovanni的报告时 ，我相信这个新颖的观测现象是惊世骇目的。除了giovanni的报告之外，margherita giustini及其 合作者也展示了一张关于从xmm牛顿空间望远镜已公开数据中发现的第二个超大质量黑洞准周 期爆发现象的海报。超大质量黑洞准周期爆发之谜由此正式确立。在此次会议的合照中，我显然 并没有在想如何利用新近发射的erostia空间望远镜来寻找新的准周期爆发现象。事实上，照片 中的我应该想的是如何在其他300多位与会学者之前率先品尝美味的自助餐，而这正是我站位如 此靠后，离入口如此近的原因。

 x射线天文2019会议全家福

绿圈高亮的就是即将冲向自助餐的我。 从意大利博洛尼亚回到德国慕尼黑后，当时还一头雾水的我和我的两位导师andrea merloni以及 paul nandra讲述了如何用erosita来寻找更多准周期爆发显现的想法。我的导师们帮我理清头 绪，一个清晰的观测计划应运而生。由于xmm牛顿空间望远镜的公开申请观测截止日期迫在眉睫 ，在包括我的两位导师在内的众多合作者的帮助下，我们迅速地完成了一份通过erostia观测触 发xmm牛顿空间望远镜后随观测的提案。2019年12月13日，erosita正式开始了为期半年的第 一期在0.2-8 kev能段的x射线巡天观测（预计在4年内完成共8次巡天观测）。巡天过程中，随着 视场不断移动，每片天区的曝光时间短则240秒左右，长则近24小时（纬度越高，曝光时间越长）。受限于曝光时长，持续周期在几个小时以内的耀发现象是理想的观测目标。不过erostia 的巡天模式使得我们既无法观测到大量的耀发源，也无法对耀发现象进行迅速认证。通过观测模 拟，我们预计每年能通过erosita观测到1次准周期耀发现象。说实话，如果一年内我们一次都没 有观测到准周期耀发现象，我也会坦然接受。毕竟模拟观测中有很多参数有较大的不确定性，而 且作出预言的博士生正是在下。出人意料的是，我们的预期竟然八九不离十（剧透一下，我们在一 年的观测周期内发现了2个准周期耀发现象！）。 疫情期间时光飞逝，转眼就到了2020年7月中旬，我的准周期耀发课题研究已逐步成型并进展顺 利。一个潜在目标源在erosita第一期巡天（erass1）数据中被发现，并成功触发了xmm牛顿空 间望远镜的后随观测。我们还没来得及了解第一个目标源，第二个目标源在erosita第二期巡天 （erass2）数据中被发现，xmm牛顿空间望远镜的首席科学家norbert schartel非常友善地批准 了director discretionary time观测申请。xmm牛顿空间望远镜的观测数据证实 了两个目标源的 准周期耀发现象（如下图所示）。其中一个目标源的耀发持续时间很长，以至于长达近25小时的 xmm牛顿空间望远镜观测无法限制耀发的周期。因此，我们申请并获得了共计11天的nicer空间 望远镜的密集监测。nicer空间望远镜的首席科学家keith gendreau在分享nicer预览数 据时 难掩激动的心情。

左图：x射线准周期耀发宿主星系的光学观测图。绿线为nicer空间望远镜所观测到的x射线光变 曲线。该星系名为2mass 02314715-1020112（红移约为0.051）。x射线耀发的峰的值时间间隔约 为18.5小时。右图：发生在2masx j02344872-4419325（红移约为0.018）星中系的x射线准周期 耀发。玫红色线为xmm牛顿空间望远镜所观测到的x射线光变曲线。x射线耀发的峰值的时间间 隔约为2.4小时。credits: desi legacy imaging survey dr8 / d. lang (perimeter institute). riccardo arcodia and mpe for the overlaid x-ray light curves. 

在一个月内，x射线数据处理基本完成。同时我们还首次得到了两个宿主星系的光学光谱。光学 光谱揭示了其中一个宿主星系是被动演化星系，而另一个则是产星星系。这一发现使得我们的研 究成果在《自然》杂志上发表。这是因为我们观测的两个宿主星系的性质与此前观测到的两个宿主 星系——活动星系核——截然不同。这一发现的重要性不言而喻，我非常感激gabriele ponti和 erin kara两位合作者将其一语道破。新观测到的非活跃星系表明活动星系核的吸积过程不是准周期现象产生的必要条件，只要是个超大质量黑洞即可。事实上，我们的观测数据也和现有诸多的 吸积盘不稳定性模型相悖。一个可行的物理解释是一个极小的致密天体围绕着质量较低的超大质 量黑洞（其质量可达太阳质量的10万倍至1000万倍）。这也是对gsn 069准周期耀发现象的一个 可行的解释。该理论解释的一大优势在于不久的将来，随着轨道周期在数月后的变化，我们可以 对其从观测上进行验证。相应的nicer卫星和swift雨燕卫星的观测正在进行中。更有趣的是类似 的质量比悬殊的两体绕转系统将被未来的包括lisa在内的引力波探测器所观测到。这可能多信使 天文观测时代写下一个新的篇章。 我个人对此次发现是无比激动的，甚至许久之后我才意识到《自然》杂志刊文的第一作者正是我自 己。如果几年前有人告诉我会在博士期间发表《自然》杂志的一作论文，我绝不会相信。就在去年 夏天，我还向我的几个好友许诺如果我们的研究成果在《自然》杂志发表，我要请他们享用一顿大 餐（他们表示我当时承诺的是一个高档餐厅，对此我们各执一词）。我想疫情结束后，我会欣然地 和好友们去大快朵颐庆祝一番的。