離黑洞最近的噴流,慧眼找到了!—新聞—科學網

 

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。

如此高能的低頻準周期振蕩從何而來？9月22日《自然-天文學》上線的文章中，來自中科院高能物理所、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團隊指出，這可能與黑洞附近向外高速運動的等離子體噴流有關。

準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO）在X射線雙星中普遍存在，觀察雙星系統的光變曲線，可發現類周期性的高低調製，這是準周期振蕩的顯著特徵之一。

人類最早於上世紀80年代觀測到準周期振蕩，但該現象的起因一直不明了。目前較為主流的理論模型有兩種：物質落向黑洞時形成的吸積盤不穩，導致X射線輻射出現振蕩；靠近黑洞的冕狀X射線輻射區發生振蕩或進動，導致準周期振蕩產生。

研究準周期振蕩需要藉助X射線衛星，但以往的衛星觀測大多集中在30千電子伏特以下的能區，不能充分檢驗相關理論模型。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。他們還發現，準周期振蕩的頻率和變化幅度不會隨能量改變，且能量較低的準周期振蕩比能量較高者產生的更晚。這些都與現有理論模型相悖。

天文學家分析，高能低頻準周期振蕩可能來自黑洞附近的噴流進動。噴流是運動速度接近光速的物質流，黑洞吞噬周圍物質時，可能會產生噴流，這是黑洞系統的主要觀測特徵。

以往觀測到的噴流距離黑洞較遠，大多位於黑洞視界半徑百萬倍以上的地方，這導致研究者無法確認噴流究竟如何產生、速度為何如此之高。但本次發表的研究中，噴流源頭首次被定位到黑洞視界半徑幾倍的區域，約距黑洞數百公裡，這是人類迄今為止觀測到的、離黑洞最近的相對論噴流。

研究團隊表示，這一發現對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，也顯示出「慧眼」衛星研究天體高能X射線快速光變的強大能力。未來，通過「慧眼」，科學家有望發現更多高能低頻準周期振蕩，加深人們對這一現象的理解。

相關論文信息：DOI：https://doi.org/10.1038/s41550-020-1192-2

 

低頻準周期振蕩起源於圍繞黑洞進動的高速噴流（圖片來源：中科院高能物理所）

慧眼衛星首次探測到了能量在200keV以上的低頻準周期振蕩（圖片來源：中科院高能物理所）

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（圖片來源：中科院高能物理所）

 

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