四个黑洞系统揭示早期预警信号
气体盘收缩、X射线闪烁减弱，可能让天文学家提前1至10天做好准备，迎接黑洞喷流的出现。富山大学和名古屋大学的研究人员在四个黑洞系统中发现了这些预警信号，为在狭窄的等离子体流以接近光速喷发前安排观测提供了可能。
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研究团队由富山大学教授川口敏弘和名古屋大学宇宙地球环境研究所副教授山冈和贵组成。富山大学的研究公告称，他们的工作是全球首个预测此类喷发的方法。研究结果于日本时间2026年11月5日发表于《天体物理学杂志》。
这项进展建立在2025年4月发表的一项研究结果之上：当气体盘内缘迅速向黑洞移动并到达特定轨道边界时，喷流便会出现。新研究发现，四个天体都呈现出相同的预警模式，而不只是最初研究的那个系统。
对天文学家来说，实际益处在于争取时间。突发喷发可能在合适的望远镜开始观测前就已发生。预警可以让研究团队协调仪器、提高测量频率，并通过不同波段的光追踪同一事件。
喷流喷发前会发生什么变化？
研究人员考察了XTE J1859+226、XTE J1550-564、GX 339-4和MAXI J1820+070。这四个天体都是黑洞双星系统，即黑洞与伴星相互绕转的系统。流向黑洞的气体会形成一种炽热、旋转的结构，称为吸积盘。
在喷流活动出现前的1至10天内，四个系统的两项测量值均有所下降：吸积盘的内半径，以及X射线亮度变化的幅度。内半径描述吸积盘内缘与黑洞之间的距离。变化幅度变小，意味着X射线辐射的闪烁减弱。
研究团队在喷流预测论文中阐述了这些发现，论文题为《喷流预测：通过X射线特性预判恒星质量黑洞的离散喷流喷发时机》。论文提出的预警条件结合了两项测量值持续下降，以及吸积盘正接近最内稳定轨道的迹象。
1至10天的时间范围指的是观测中发现的提前预警时间。这项研究提出的预测方法仍需通过针对未来预警组织的观测来检验；目前尚未公布此类观测行动的日期。
为什么吸积盘内缘很重要
黑洞的引力极强，以至于光也无法从其事件视界以内逃逸。喷流中的气体位于这道边界之外，处在周围环境中。等离子体是喷流携带的物质，指粒子带电的气体。
吸积盘的关键边界称为最内稳定圆轨道，简称ISCO。这是物质能够继续稳定绕转的最近圆形轨道。再向内，物质便无法维持稳定的圆形轨道，会迅速向黑洞移动。
名古屋大学的2025年研究公告指出，早期研究考察的系统XTE J1859+226，其ISCO半径约为64公里。相关边界取决于黑洞本身，因此预测方法会追踪吸积盘接近该天体ISCO的过程。
研究团队提出的触发条件包含两部分：吸积盘边缘必须以足够快的速度向内移动，并到达临界轨道。因此，追踪其随时间的移动，与测量吸积盘在某一时刻的位置同样重要。
一次早期喷发如何催生预测方法
XTE J1859+226是研究的起点。其黑洞质量约为太阳的五倍，伴星质量则大致与太阳相当。在研究人员考察的活动期间，该系统在20天内出现了五至六次喷流喷发，让他们有多个事件可供比较。
早期分析使用了1999年和2000年的观测数据。研究人员比较了从X射线推断出的物理性质变化速度，以及射电观测记录的总能量。简单来说，他们同时考察了吸积盘变化有多快，以及喷流活动伴随产生了多少射电能量。
研究结果显示，喷流喷发与吸积盘边缘快速向ISCO移动有关。随后开展的新研究又考察了另外三个双星系统，以检验其他系统是否也存在这种行为。由四个系统共同呈现的预警模式，将这一发现从一个系统扩展到了四个系统。
这项研究经历了以下几个阶段：
- 1999年至2000年：对XTE J1859+226的观测记录了相关活动，之后研究人员据此调查吸积盘变化与喷流之间的联系。
- 2025年4月8日：初步研究发表于《日本天文学会刊》。
- 2026年11月5日：据富山大学介绍，将预测方法扩展至四个双星系统的研究发表于《天体物理学杂志》。
- 2026年11月12日：有关预测方法的研究结果在介绍该校公告的报道中公开。
从X射线中读取预警信号
这项研究使用了X射线和射电观测数据，包括罗西X射线计时探测器卫星（简称RXTE）的数据，以及国际空间站上NICER和MAXI仪器的数据。这些观测让研究人员得以将黑洞附近的变化与之后发生的喷流活动联系起来。
X射线携带着黑洞附近炽热气体的信息。研究人员利用其能量分布估算吸积盘的特性，包括内半径。他们还会测量亮度变化幅度，论文中将其表示为分数变幅。
至少有两个系统在X射线变幅开始下降前，就已出现吸积盘边缘收缩的迹象。这一先后顺序表明，持续测量内半径尤其有用：它可能更早显示系统状况正在发生变化。
研究还将吸积盘的移动与此前已知的X射线硬度和闪烁变化联系起来。硬度描述高能与低能X射线之间的比例。随着吸积盘向内移动，其较稳定的辐射相对于附近较热区域产生的强烈波动辐射会变得更加突出。
喷流并非由气体突然涌入触发
研究人员还考察了吸积率，即单位时间内流向黑洞的气体量。在四个系统中，他们都没有发现喷流喷发前吸积率大幅上升。这一结果对一种解释提出了质疑：该解释认为，必须有大量气体突然涌入才能触发喷流。
XTE J1859+226和MAXI J1820+070这两个系统在吸积率低于爱丁顿率时也产生了喷流。爱丁顿率是一个参考值，代表引力将气体向内拉与辐射压力将气体向外推之间的平衡。
作者总结说，要求气体供给大幅增加或吸积率超过爱丁顿率的模型，不太可能解释这些事件。相反，他们的测量结果将注意力引向吸积盘内侧结构的变化。
名古屋大学此前发布的公告同样指出，为解释快速变化所起的作用，建立在固定条件之上的理论需要修订。吸积盘向内移动这一过程可以测量，理论学家在解释喷流形成时必须考虑这一过程。
将预警转化为协同观测
未来的预警将依据反复测量的结果：吸积盘内半径和X射线变幅持续下降，同时吸积盘逐渐接近ISCO。届时，天文学家可以申请开展目标机会观测，即安排望远镜对计划外出现的动态事件作出响应。
川口表示，这种预测方法能让研究人员更有依据地准备观测、更频繁地进行高灵敏度测量，并研究不同波长下的亮度变化。X射线揭示黑洞附近的状况，射电观测则有助于追踪喷流。
实际益处在于记录变化过程。喷发前、喷发期间和喷发后的观测，能为研究人员提供比喷流已经活跃后才开始的观测更完整的过程。多台仪器协同观测，可以将吸积盘的变化与外流的出现及演化联系起来。
2025年的研究还找到了喷流短期内不太可能喷发的情形。这也为天文台提供了另一项有用参考：它们可以将有限的观测时间集中在吸积盘行为显示事件即将发生的时段。
未来观测可以检验什么
这四个双星系统中的黑洞质量与恒星相当。研究人员计划调查这种预测方法是否也适用于大得多的黑洞，包括位于星系中心的黑洞。这些黑洞的质量可达太阳的数十万倍至数十亿倍。
大型黑洞产生的喷流可以延伸到宿主星系之外很远，并影响孕育恒星的气体。确定这些喷流何时启动，将有助于研究人员考察黑洞活动如何影响星系的成长。
未来的观测还可以检验黑洞自转所起的作用。如果快速自转是产生喷流的必要条件，那么缓慢自转的黑洞或许会出现吸积盘预警信号，却没有喷流喷发。通过在更多系统中比较预测结果与实际情况，有助于区分相互竞争的解释。
宇宙射线也是继续这项研究的理由之一。宇宙射线是穿行于太空中的高能粒子，黑洞喷流被认为可能是其主要来源之一。富山大学将了解宇宙射线的起源列为一项长期目标。在喷流刚开始时捕捉到它们，或许能让科学家更好地研究粒子如何获得如此高的能量。
要点一览
- 富山大学和名古屋大学的研究人员在四个黑洞双星系统中发现，喷流活动出现前1至10天会出现共同的预警信号。
- 预警信号包括吸积盘内半径缩小，以及X射线亮度变化幅度减弱。
- 研究团队提出的预测方法会追踪吸积盘接近最内稳定圆轨道的过程。
- 喷流出现前，气体吸积率并未大幅上升；其中两个系统在吸积率低于爱丁顿率时产生了喷流。
- 这种方法有助于天文台在喷发开始前协调观测。
- 未来研究将考察更多系统，并检验该方法是否适用于质量大得多的黑洞。
