世界首次发现！安师大研究团队如何做到的？

2月28日，国际顶级学术期刊《自然·天文学》（《Nature Astronomy》）发表了安徽师范大学物理与电子信息学院舒新文教授研究团队的一项重大科研成果。该团队发现了中等质量黑洞吞噬恒星发出的X射线准周期振荡信号（类似于黑洞的“心跳”），这是天体物理学家在世界上首次发现该类现象，提供了宇宙中存在中等质量黑洞的关键证据。

相关论文发表后，引起了学术界和公众的广泛关注。黑洞到底有多神奇？这一重大研究成果的取得意味着什么？经过多方联系，3月10日，大江资讯记者终于见到了一直忙于繁重科研任务无暇他顾的舒新文教授，对他及团队其他成员进行了采访。

黑洞是公众耳熟能详的天体，但对其“真实面目”却又很陌生。天文学家这一群体，对公众来说，同样是既熟悉又陌生。3月10日，记者造访安徽师范大学物理与电子信息学院，来到舒新文教授的办公室，他正在电脑前阅读文献，“80后”的他已经有了缕缕白发。

几平方米的办公室内，一张办公桌、一台电脑、一个沙发、几个凳子，这就是舒新文办公和从事研究的地方。这，似乎与公众心中天文学家远离尘嚣在高山之上操纵大型望远镜遥望星空的场景迥异。

“随着技术的进步，我们已经不用亲自到天文台去了。只要申请并获批了观测时间，就可以远程操纵望远镜进行观测。有些望远镜也会直接提供观测的原始数据。现在我们在办公室就能从事研究工作。”舒新文笑着说道。

说起这次的科研成果，黑洞自然是“主角”。舒新文介绍，黑洞是广义相对论预言的奇妙天体，具有独特的时空结构，任何进入其“势力范围”的物质包括光线都无法逃脱并最终落入黑洞中心。“黑洞是性质最特殊的天体，自从爱因斯坦广义相对论预言它的存在后，就一直是科学家们最热衷于‘追逐’的目标之一。”舒新文说。

那么，黑洞与我们所在的星系有什么关系呢？舒新文表示：“黑洞对我们银河系的形成和演化起到很重要的作用。银河系的中心有一个超大质量黑洞，目前处于‘休眠’状态。但是在过去的某些时期，它却非常活跃，经常会‘吸走’周边的气体等物质，然后发出辐射能量。这些辐射会驱动黑洞周围物质向外运动，像强风一样吹过正在形成中的恒星‘胚胎’，把形成恒星的原料气体吹散，阻碍了恒星的形成。”

舒新文解释道，这就好比自然界的某种生物不能无限制繁衍，总有天敌会控制其数量，以保持生态平衡。同样地，一个星系的恒星数量也不能无限多，黑洞把一些恒星“扼杀在摇篮里”，起到了维持星系生态平衡的重要作用。

黑洞吸引着无数科学家关注的目光，这次，舒新文研究团队把目标定在了中等质量黑洞上。为什么要研究这类黑洞呢？

舒新文介绍，目前人们了解较多的黑洞可分为两大类，第一类是大质量恒星死亡后遗留的产物，质量在几倍到几十倍太阳质量之间，称作恒星级黑洞；另一类质量为太阳的百万倍以上，称为超大质量黑洞，一般位于星系的核心。

中等质量黑洞在黑洞“家族”中介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，被认为是超大质量黑洞演化的“种子”。

“中等质量黑洞在整个黑洞‘家族’中占有重要地位，比如我们银河系中心的超大质量黑洞就有可能是由中等质量黑洞演化而来的。虽然其被理论预言存在，但是因为难以精准探测，仍缺乏可靠的观测证据。如何寻找和探测中等质量黑洞这一特殊‘群体’，是当今物理学和天文学最重要的前沿问题之一。”舒新文研究团队核心成员、目前在国家天文台从事博士后研究的张文杰博士说。

为了找到这些神奇的黑洞，舒新文研究团队将“黑洞潮汐撕裂恒星事件”作为突破口。“当一颗恒星游走到过于靠近黑洞时，会被黑洞产生的强大潮汐力撕裂瓦解，恒星碎片在被黑洞吞噬前，释放出短暂而剧烈的电磁辐射，这就是黑洞潮汐撕裂恒星事件。”舒新文表示。

舒新文研究团队锁定一例特殊的中等质量黑洞潮汐撕裂恒星事件候选体，通过分析相关观测数据，在其X射线辐射中探测到周期约为85秒的准周期性信号。“这就像黑洞‘捕食’恒星时会有心跳现象，其特定的‘心率’为我们揭示了这颗中等质量黑洞的存在。”张文杰说。

经过分析，研究人员推算出该黑洞质量介于9900-16000倍太阳质量之间，属于典型的中等质量黑洞。

左图为中等质量黑洞所在星系的光学图像, 来自Lin et al. (2020, ApJL, 892, 25)。

中图为中等质量黑洞撕裂恒星的艺术想象图，以及实际观测的X射线准周期光变信号。

右图为光变信号对应的功率密度谱。

这是世界上首次发现中等质量黑洞吞噬恒星发出的X射线准周期振荡信号，提供了中等质量黑洞存在的关键性证据。“如果把黑洞比作人类，不同质量的黑洞‘心率’不一样，该发现通过探测罕见的‘心跳’特征，甄别出了类似于青少年时期的黑洞，填补了黑洞‘家族’成长和进化史的关键缺环。为未来进一步探测和研究中等质量黑洞奠定了坚实基础。”谈到该发现的意义时，舒新文说道。

2024年10月，国家有关部门发布了《国家空间科学中长期发展规划（2024-2050年）》，提出了我国有望取得突破的5大科学主题和17个优先发展方向。舒新文研究团队这次的发现对其中有望取得突破的“探索宇宙的起源与演化”方面研究有着重要意义。“通过这次的经验积累，我们有更大的信心利用我国自己的空间科学卫星——天关卫星寻找更多的中等质量黑洞，争取获得更多原创成果。”张文杰表示。

宇宙浩瀚无垠又神秘莫测，自古以来，无数学者、文人对其充满了好奇心。早在战国时期，伟大诗人屈原就在《天问》里发出“天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？”的声声疑问。年轻一代的研究者仍然对探索宇宙满怀热情。作为“90后”的张文杰，2020年起成为舒新文教授指导的博士生。在老师的带领下，2021年年底，他开始把寻找中等质量黑洞的观测证据作为主要科研方向。

一般来说，已经被研究过的目标，再有新的发现会很困难。但舒新文研究团队“不走寻常路”，仍将一个被学者分析过的中等质量黑洞“疑似者”作为重点研究对象。“这个距离地球大约80亿光年远的星系中的‘疑似者’虽然被其他团队研究过，但却没有充足的证据表明其确为中等质量黑洞。不过，我们有新的方法能证明。”张文杰说。

据张文杰介绍，以前的研究者常把这一中等质量黑洞“疑似者”撕裂恒星时发出的辐射信号作为整体进行分析，结果很多重要的间歇性周期信号都被噪声等淹没，因而不能被有效探测。

而舒新文研究团队创造性地发展出分段分析算法，把信号“化整为零”进行分析，这样一些间歇性的周期信号就能更容易被发现。通过这一方法的应用，他们果真取得了成功，出人意料地发现了独属于中等质量黑洞“心跳”时的周期性信号，从而证实了其存在。

成功除了要有创新，艰辛的付出同样不可或缺。采用新的数据分析方法面对的是反复的试错、百万次的模拟来论证信号的可靠性等十分繁重的工作。张文杰表示，从2021年年底到2023年5月，这大约一年半的时间里，他基本都在分析数据。

每天8时到办公室开始工作，11时30分吃午饭，然后休息。13时许继续工作，17时30分吃晚饭，接着散步休息。19时再回到办公室，22时30分结束一天的工作回到宿舍。这样的日子往复循环，周末也是如此。

俗话说，磨刀不误砍柴工。紧张的工作之余，张文杰也常和老师舒新文教授打打乒乓球，和团队中其他同学切磋羽毛球。工作中，他经常会遇到各种难题，有时候写一个程序总是不对，几天都弄不好，经过舒新文老师指点迷津，便茅塞顿开。团队中的孙鹿鸣博士也为他分析数据提供了很多帮助。“这是一个团结又充满温情的团队。”张文杰说。

德国哲学家康德曾说过，这个世界上唯有两样东西能让我们的内心“充满常新而日增的惊奇和敬畏”，一是我们头上的星空，一是我们心中的道德法则。

对康德的话，舒新文有着深切的体会。“我们常常被生活的压力困住，被功名利禄诱惑，陷入迷惘和焦虑。这些在深邃的宇宙面前，是那么渺小，那么微不足道。仰望星空是净化心灵最好的方式之一。”舒新文说，对宇宙的探索不仅在科学上有意义，也是对人生重新认识的过程。他希望大众在忙于工作学习之外，也能抽出时间多看看头顶的星空。

为此，他正在组织团队开展天文科普活动，让市民们体验到观星的乐趣，对宇宙能有更多的了解，也获得再次认识自我的机会。