中國慧眼發現距離黑洞最近的告訴噴流
2020-09-22 原理
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40-450赫茲。它們可能與不同的物理過程有關。
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1-250keV，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。
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。
整理：原原
審校：中科院高能所
參考文獻：[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2
相關焦點
-
中國「慧眼」衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
（中科院高能所「慧眼」衛星團隊 供圖）中新網北京9月22日電 (記者 孫自法)中國「慧眼」(HXMT)衛星又有重磅發現——其最新觀測結果發現距離黑洞最近的高速噴流，這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具有重大意義。 -
中國「慧眼」衛星發現距離黑洞最近高速噴流
中新網北京9月22日電 (記者 孫自法)中國「慧眼」(HXMT)衛星又有重磅發現——其最新觀測結果發現距離黑洞最近的高速噴流，這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具有重大意義。 -
慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
慧眼衛星發現了離黑洞最近的噴流產生的準周期調製信號今天，國際著名期刊《自然-天文學》在線發表了慧眼（HXMT）衛星最新觀測結果：在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（quasi-periodic -
我國慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
中國青年報客戶端訊（中青報·中青網記者 邱晨輝）來自中科院高能所9月22日的消息稱，我國慧眼（HXMT）衛星前不久在高於200千電子伏特的能段，發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。研究表明，其起源於黑洞視界附近的相對論噴流的進動，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。 -
我國慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
中國青年報客戶端訊（中青報·中青網記者 邱晨輝）來自中科院高能所9月22日的消息稱，我國慧眼（HXMT）衛星前不久在高於200千電子伏特的能段，發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。 -
中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
俄羅斯衛星通訊社北京9月22日消息 據中國科學院高能物理研究所官網消息，中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流，為解決低頻QPO物理起源問題提供重要依據。© 照片 : NASA's Goddard Space Flight Center科學家們發現一個撕裂恆星的罕見黑洞消息稱，9月21日，國際著名期刊《Nature Astronomy》（自然·天文學）在線發表了慧眼 -
「慧眼」衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
（圖片由中國科學院高能物理研究所提供）本報北京9月23日電（記者齊芳、通訊員王晨芳）我國首顆空間X射線衛星「慧眼」衛星在高於200千電子伏特（keV）的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。 -
中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流，是怎麼發現的？
important}當地時間2020年9月21日，我國慧眼衛星（HXMT）團隊在國際頂級學術期刊《自然》（nature）的旗下的天文學專刊《自然天文學》（nature astronomy）上在線發表了名為《硬X射線調製望遠鏡在一個黑洞X射線雙星裡發現200 keV以上能量振蕩》（Discovery -
慧眼衛星又有新發現 窺見距離黑洞最近的噴流
原標題：慧眼衛星又有新發現 窺見距離黑洞最近的噴流 我國第一顆空間X射線天文衛星慧眼衛星又有新發現！ 9月22日，記者從中國科學院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）獲悉，來自該所等國內外單位的研究人員利用慧眼衛星在高於200千電子伏特（keV）的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準周期振蕩現象。研究表明，該振蕩起源於黑洞視界附近噴流的進動。相關成果在線發表於《自然·天文學》上。 -
「慧眼」衛星新進展 發現距離黑洞最近的高速噴流
新華社北京9月22日電（記者董瑞豐）「慧眼」——硬X射線調製望遠鏡衛星公布最新觀測結果：在高於200千電子伏特的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準周期振蕩現象。記者22日從中國科學院高能物理研究所獲悉，來自該所和英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中科院上海天文臺等單位的研究人員共同完成上述工作，成果已於21日由國際學術期刊《自然·天文學》在線發表。研究者介紹，此次發現的低頻準周期振蕩起源於黑洞視界附近的相對論噴流（向外高速運動的等離子體流）的進動，為解決一直以來存在爭議的該現象物理起源問題提供了重要依據。 -
「慧眼」探洞，發現距離黑洞最近的高速噴流
本報訊（見習記者任芳言）2018年3月，黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發，成為一百多天裡空中最亮的X射線源之一。天文學家通過「慧眼」衛星對其進行觀測，發現了迄今為止能量最高的低頻準周期振蕩，能量超過200千電子伏特。 -
「慧眼」衛星最新進展：發現距離黑洞最近的高速噴流
新華社北京9月22日電（記者董瑞豐）「慧眼」——硬X射線調製望遠鏡衛星公布最新觀測結果：在高於200千電子伏特的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準周期振蕩現象。記者22日從中國科學院高能物理研究所獲悉，來自該所和英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中科院上海天文臺等單位的研究人員共同完成上述工作，成果已於21日由國際學術期刊《自然·天文學》在線發表。 -
又有新發現！慧眼衛星觀測到距離黑洞最近的高速噴流
科技日報記者 陸成寬我國第一顆空間X射線天文衛星慧眼衛星又有新發現！22日，記者從中國科學院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）獲悉，來自該所等國內外單位的研究人員利用慧眼衛星在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準周期振蕩現象。研究表明，該振蕩起源於黑洞視界附近噴流的進動。 -
「慧眼」衛星觀測到距離黑洞最近的相對論噴流
我國首顆空間X射線衛星慧眼衛星在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，... 我國首顆空間X射線衛星「慧眼」衛星在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。 -
「慧眼」立功！我國發現距離黑洞最近的高速噴流
慧眼衛星發現了離黑洞最近的噴流產生的準周期調製信號據中科院高能所消息，9月21日，國際著名期刊《自然-天文學》在線發表了慧眼（HXMT）衛星最新觀測結果：在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。 -
我國慧眼衛星發現距離黑洞最近高速噴流，源頭距黑洞上百公裡
22 日國際著名期刊《自然 • 天文學》在線發表了慧眼衛星最新觀測結果：在高於 200 千電子伏特（keV）的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻 QPO 現象。新華社供圖科研團隊介紹，慧眼衛星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公裡的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，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具有重大意義。 -
衢州傳媒網丨「慧眼」衛星新進展 發現距離黑洞最近的高速噴流
「慧眼」——硬X射線調製望遠鏡衛星公布最新觀測結果：在高於200千電子伏特的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準周期振蕩現象。記者22日從中國科學院高能物理研究所獲悉，來自該所和英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中科院上海天文臺等單位的研究人員共同完成上述工作，成果已於21日由國際學術期刊《自然·天文學》在線發表。 -
慧眼衛星發現迄今距黑洞最近的高速噴流
近日，中科院高能物理所等國內外科研團隊，通過我國首顆X射線空間天文衛星「慧眼」，在高於200千電子伏特以上的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩慧眼衛星的觀測，第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公裡的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的高速噴流，對於研究黑洞附近的物質動力學過程和輻射機制等具有重要意義。(責編：劉洋、溫文) -
離黑洞最近的噴流,慧眼找到了!—新聞—科學網
藉助觀測能段為1-250千電子伏特的「慧眼」，研究者發現，黑洞雙星MAXI J1820+070在慧眼的觀測能段範圍內都出現了低頻準周期振蕩，其中能量最高者超過200千電子伏特，相較於之前的觀測結果，能量提高了近一個量級。 研究團隊指出，如此高的能量意味著準周期振蕩並非來自吸積盤熱輻射區域。 -
距離黑洞僅上百公裡!哈雷彗星發現最近的高速噴流
北京時間9月21日，國際著名期刊《自然天文學》在線發表了慧眼衛星最新觀測結果：在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩，這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。因此研究團隊提出，該低頻QPO應該產生於黑洞視界附近噴流的進動，很可能是黑洞自轉產生的廣義相對論的參考系拖曳效應產生的。