中國的慧眼衛星,發現了黑洞的「秘密」

一

在宇宙中，當一顆大質量恆星死亡時，恆星最終可能會坍縮成一個黑洞。如果這個黑洞不是孤單地遊蕩在空間之中，而是有一個恆星陪伴，那麼這顆伴星的物質將被黑洞強大的引力所無情地「掠奪」。這樣的一個系統，被稱為X射線雙星系統：

 X射線雙星。| 圖片來源：ESO/L. Calçada

被黑洞引力吸引的物質，會圍繞黑洞旋轉形成溫度非常高的吸積盤，而且還可能產生運動速度接近光速的物質流，即噴流。熾熱的吸積盤和噴流會輻射出強烈的X射線，使天文學家能夠詳細地研究系統的細節。特別是，在X射線亮度中經常會觀測到準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是指釋放出的X射線強度會以一定頻率閃爍的現象。

QPO通常被劃分為兩類：低頻QPO，其頻率低於30赫茲；高頻QPO，其頻率介於40赫茲~450赫茲。它們可能與不同的物理過程有關。

二

上個世紀80年代，天文學家首次發現低頻QPO現象，它被認為起源於吸積流的內部。但30多年來，它產生的確切物理機制依然沒有被很好的理解。

目前，解釋低頻QPO現象最流行的模型包括：

吸積盤的不穩定性：物質在旋轉落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩定性導致X射線輻射產生振蕩；

幾何效應：靠近黑洞的冕狀X射線輻射區的進動或振蕩導致X射線輻射產生準周期調製。

過去，X射線天文衛星只具有在30千電子伏特（keV）以下的能區研究低頻QPO的能力，這就使天文學家難以判斷輻射是來自於高溫氣體的熱輻射，還是高能粒子的非熱輻射，並進而確認其準確的產生區域。

但我國第一顆空間X射線天文衛星——慧眼（HXMT）的出現改變了這一狀況。慧眼衛星的有效能段為1keV~250keV，並且在30keV以上具有最大的有效面積，科學家們期待慧眼在一些黑洞中探測到30keV以上的低頻QPO現象，從而對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。

9月21日，《自然·天文學》在線發表了慧眼衛星最新觀測結果：在高於200keV以上的能段發現了黑洞雙星系統的低頻QPO，這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。

三

時間回到2018年3月11日，當時日本安裝在國際空間站上的全天X射線圖像監視器（MAXI）發現了一個新的黑洞X射線雙星的爆發，該雙星被稱為MAXI J1820+070，在相當長一段時間裡是天空中最亮的X射線源之一。在MAXI之後，慧眼衛星迅速做出反應，在幾個月的時間內對這次爆發進行了超過140次的監測，積累了海量的觀測數據。

慧眼衛星首次探測到了能量在200keV以上的低頻QPO。| 圖片來源：[1]

基於這些觀測數據，研究團隊發現MAXI J1820+070在很寬的能段範圍內都存在低頻QPO現象（如上圖），最高能量超過200 keV，比慧眼衛星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個數量級，這說明該QPO並不來自吸積盤的熱輻射區域。

進一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚於能量較高的QPO產生，這些都和已有的流行模型嚴重衝突。

那麼，此次觀測到的低頻QPO可能來自於哪裡？

愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論告訴我們，引力是由彎曲的時空造成的。基於廣義相對論，蘭斯和蒂林（Lense & Thirring）在1918年提出，一個旋轉的大質量物體會」拖曳「它所在的時空。因此，黑洞的自轉也會對黑洞周圍的空間產生拖曳效應，這就導致了黑洞視界附近的噴流發生進動。研究人員認為，觀測到的低頻QPO很可能起源於圍繞黑洞的噴流的進動。

噴流進動模型的示意圖。低頻QPO起源於圍繞黑洞進動的高速噴流。| 圖片來源：[1]

過去，天文學家在射電、可見光和X射線波段，從很多黑洞X射線雙星系統，以及遙遠類星體中心的超大質量黑洞（質量是百萬到百億倍太陽質量）中，都觀測到過高速運動的噴流。

然而，這些噴流距離黑洞都非常遠，通常位於距離黑洞百萬倍視界半徑以外。而在如此遠的距離下，黑洞的引力已經無法發揮顯著的作用，因此天文學家並不清楚這些噴流到底起源於距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出並且被加速到接近光速的。

但這一次，慧眼衛星的觀測將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公裡（幾倍黑洞視界半徑）的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流！

此次的觀測，為解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據，對於研究黑洞附近的廣義相對論效應、物質動力學過程和輻射機制等也都具有重大意義。

慧眼衛星關於MAXI J1820+070中低頻QPO現象的研究成果，顯示了其研究天體高能X射線快速光變的強大能力。未來，慧眼衛星有望發現更多的高能低頻QPO現象，全面加深人們對於低頻QPO現象的理解。

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