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”(HXMT)卫星的最新科研成果。通过分析“慧眼”卫星观测数据,明升体育app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。
慧眼卫星首次探测到了冕的动力学演化(中科院高能物理所供图)
“慧眼”所见
高温冕是怎么运动的呢?由于缺少观测数据,明升体育app家们一直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,人们开始有了破解这一难题的机会。
2018年3月,距我们大约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,由明升官网明升体育app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(QPO)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”卫星首席明升体育app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(relativistic beaming effect)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,按照现有理论来推理,冕对吸积盘的照射应该增强才对。然而,观测到的情况并非如此。
研究团队人员介绍,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。
相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41467-021-21169-5
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