早在上世紀(jì)60年代，天文學(xué)家就在銀河系中探測到了X射線輻射源。在這些X射線源中，天鵝座X-1是第一個(gè)被認(rèn)為存在黑洞的雙星系統(tǒng)。隨著天文學(xué)的發(fā)展，在銀河系中發(fā)現(xiàn)的黑洞X射線雙星系統(tǒng)越來越多。

目前普遍認(rèn)為，在黑洞X射線雙星中，伴星物質(zhì)被黑洞引力捕獲，旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運(yùn)動，形成吸積盤結(jié)構(gòu)，而在吸積盤內(nèi)區(qū)附近又會形成高溫冕。然而，冕在黑洞附近如何運(yùn)動，一直是致密天體研究中的未解之謎。

2月15日，《自然·通訊》在線發(fā)表了“慧眼”（HXMT）衛(wèi)星的最新科研成果。通過分析“慧眼”衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星中逃離黑洞強(qiáng)引力場向外高速運(yùn)動的等離子體流（冕），并且首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化。

慧眼衛(wèi)星首次探測到了冕的動力學(xué)演化（中科院高能物理所供圖）

“慧眼”所見

高溫冕是怎么運(yùn)動的呢？由于缺少觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們一直只能從理論上對這個(gè)問題做一些猜想。直到“慧眼”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳回來，人們開始有了破解這一難題的機(jī)會。

2018年3月，距我們大約11300光年處的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā)，而且在相當(dāng)長一段時(shí)間里是天空中最亮的X射線源之一。

論文第一作者、武漢大學(xué)天體物理中心博士游貝表示，在此期間，“慧眼”衛(wèi)星對這個(gè)天體的爆發(fā)進(jìn)行了高頻次的觀測。

2020年，通過分析“慧眼”衛(wèi)星的時(shí)變數(shù)據(jù)，由中國科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在MAXI J1820+070中發(fā)現(xiàn)了迄今為止能量最高的低頻準(zhǔn)周期振蕩（QPO）信號，提供了從黑洞視界附近向外發(fā)出相對論噴流，或者說向外高速運(yùn)動的等離子體流的觀測證據(jù)。

此后，通過分析“慧眼”衛(wèi)星的能譜數(shù)據(jù)，由武漢大學(xué)天體物理中心領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線輻射強(qiáng)度逐漸減小，亦即冕逐漸衰弱時(shí)，從冕出射的光子，照射到吸積盤和無窮遠(yuǎn)處的流量比值在減弱，也就是說，冕對吸積盤的照射程度在減弱。研究團(tuán)隊(duì)指出，從冕中出射的X射線光子對吸積盤的照射強(qiáng)弱，依賴冕的運(yùn)動速度以及黑洞的引力場。

“這兩項(xiàng)相互印證的研究成果，展示了‘慧眼’衛(wèi)星進(jìn)行寬能段時(shí)變和能譜研究的綜合優(yōu)勢?！薄盎垩邸毙l(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說。

與理論預(yù)期相反

然而，這一觀測結(jié)果，與理論預(yù)期恰恰相反。

現(xiàn)有理論認(rèn)為，當(dāng)冕以相對論速度向外運(yùn)動時(shí)，相對論性集束效應(yīng)（relativistic beaming effect）會削弱冕對吸積盤的照射，反之，當(dāng)X射線輻射流強(qiáng)逐漸下降時(shí)，冕越靠近黑洞，引力彎曲效應(yīng)越強(qiáng)，冕輻射出的X射線光子會有更大比例照射到吸積盤上，增強(qiáng)冕對吸積盤的照射。

同時(shí)期MAXI J1820+070的X射線時(shí)變分析顯示，當(dāng)X射線輻射流強(qiáng)逐漸下降時(shí)，冕的幾何尺度趨向黑洞收縮，即尺度在減小。那么，按照現(xiàn)有理論來推理，冕對吸積盤的照射應(yīng)該增強(qiáng)才對。然而，觀測到的情況并非如此。

研究團(tuán)隊(duì)人員介紹，目前對此最合理的解釋是，冕在收縮的同時(shí)，冕中的等離子體流正在以相對論速度向外運(yùn)動。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，冕尺度越小，速度越大，因此冕物質(zhì)運(yùn)動的相對論性集束效應(yīng)抑制了黑洞的引力彎曲效應(yīng)?！斑@為我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的，離黑洞很近的相對論噴流，提供了獨(dú)立的觀測證據(jù)和物理解釋?！庇呜愓f。

這項(xiàng)研究最終表明，冕趨向黑洞收縮的同時(shí)，也以相對論速度向外運(yùn)動，而且冕的尺度越小，速度越大。

游貝表示，此研究第一次系統(tǒng)地描繪了黑洞X射線雙星在爆發(fā)過程中，等離子體流逃離黑洞引力場的速度演化，對于理解黑洞吸積過程和相對論效應(yīng)意義重大。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21169-5



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