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用“慧眼”看黑洞双星

来源:《中国科学报》2021-02-18 17:24

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  早在上世纪60年代,天文学家就在银河系中探测到了X射线辐射源。在这些X射线源中,天鹅座X-1是第一个被认为存在黑洞的双星系统。随着天文学的发展,在银河系中发现的黑洞X射线双星系统越来越多。

  目前普遍认为,在黑洞X射线双星中,伴星物质被黑洞引力捕获,旋转着逐渐向黑洞运动,形成吸积盘结构,而在吸积盘内区附近又会形成高温冕。然而,冕在黑洞附近如何运动,一直是致密天体研究中的未解之谜。

  2月15日,《自然—通讯》在线发表了“慧眼”卫星的最新科研成果。通过分析“慧眼”卫星观测数据,科学家发现了黑洞双星中逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流(冕),并且首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化。

  “慧眼”所见

  高温冕是怎么运动的?由于缺少观测数据,科学家们只能从理论上对这个问题做一些猜想。直到“慧眼”卫星的数据传回来,人们才有了破解这一难题的机会。

  2018年3月,距地球大约11300光年处的黑洞X射线双星MAXI J1820+070发生爆发,而且在相当长一段时间里是天空中最亮的X射线源之一。

  论文第一作者、武汉大学天体物理中心博士游贝表示,在此期间,“慧眼”卫星对这个天体的爆发进行了高频次的观测。

  2020年,通过分析“慧眼”卫星的时变数据,由中科院高能物理研究所领衔的研究团队,在MAXI J1820+070中发现了迄今为止能量最高的低频准周期振荡信号,提供了从黑洞视界附近向外发出相对论喷流,或者说向外高速运动的等离子体流的观测证据。

  此后,通过分析“慧眼”卫星的能谱数据,由武汉大学天体物理中心领衔的研究团队又发现,当X射线辐射强度逐渐减小,亦即冕逐渐衰弱时,从冕出射的光子,照射到吸积盘和无穷远处的流量比值在减弱,也就是说,冕对吸积盘的照射程度在减弱。研究团队指出,从冕中出射的X射线光子对吸积盘的照射强弱,依赖冕的运动速度以及黑洞的引力场。

  “这两项相互印证的研究成果,展示了‘慧眼’卫星进行宽能段时变和能谱研究的综合优势。”“慧眼”卫星首席科学家张双南说。

  与理论预期相反

  然而,这一观测结果,与理论预期恰恰相反。

  现有理论认为,当冕以相对论速度向外运动时,相对论性集束效应会削弱冕对吸积盘的照射,反之,当X射线辐射流强逐渐下降时,冕越靠近黑洞,引力弯曲效应越强,冕辐射出的X射线光子会有更大比例照射到吸积盘上,增强冕对吸积盘的照射。

  同时期MAXI J1820+070的X射线时变分析显示,当X射线辐射流强逐渐下降时,冕的几何尺度趋向黑洞收缩,即尺度在减小。那么,按照现有理论推理,冕对吸积盘的照射应该增强。然而,观测到的情况却并非如此。

  研究人员介绍,目前对此最合理的解释是,冕在收缩的同时,冕中的等离子体流正在以相对论速度向外运动。研究团队进一步发现,冕尺度越小,速度越大,因此冕物质运动的相对论性集束效应抑制了黑洞的引力弯曲效应。“这为我们已经发现的离黑洞很近的相对论喷流,提供了独立的观测证据和物理解释。”游贝说。

  这项研究最终表明,冕趋向黑洞收缩的同时,也以相对论速度向外运动,而且冕的尺度越小,速度越大。

  游贝表示,此研究第一次系统地描绘了黑洞X射线双星在爆发过程中,等离子体流逃离黑洞引力场的速度演化,对于理解黑洞吸积过程和相对论效应意义重大。(记者 倪思洁)

[ 责编:赵宇豪 ]
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