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2020-09-22 10:53
中国的慧眼卫星,发现了黑洞的“秘密”

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:原原,原文标题:《中国慧眼:>200千电子伏特!》,题图来自:《星际穿越》剧照截图



在宇宙中,当一颗大质量恒星死亡时,恒星最终可能会坍缩成一个黑洞。如果这个黑洞不是孤单地游荡在空间之中,而是有一个恒星陪伴,那么这颗伴星的物质将被黑洞强大的引力所无情地“掠夺”。这样的一个系统,被称为X射线双星系统


 X射线双星。| 图片来源:ESO/L. Calçada


被黑洞引力吸引的物质,会围绕黑洞旋转形成温度非常高的吸积盘,而且还可能产生运动速度接近光速的物质流,即喷流。炽热的吸积盘和喷流会辐射出强烈的X射线,使天文学家能够详细地研究系统的细节。特别是,在X射线亮度中经常会观测到准周期振荡(quasi-periodic oscillation,QPO),这是指释放出的X射线强度会以一定频率闪烁的现象。


QPO通常被划分为两类:低频QPO,其频率低于30赫兹;高频QPO,其频率介于40赫兹~450赫兹。它们可能与不同的物理过程有关。



上个世纪80年代,天文学家首次发现低频QPO现象,它被认为起源于吸积流的内部。但30多年来,它产生的确切物理机制依然没有被很好的理解。


目前,解释低频QPO现象最流行的模型包括:


  • 吸积盘的不稳定性:物质在旋转落向黑洞的过程中形成的吸积盘上的不稳定性导致X射线辐射产生振荡;


  • 几何效应:靠近黑洞的冕状X射线辐射区的进动或振荡导致X射线辐射产生准周期调制。


过去,X射线天文卫星只具有在30千电子伏特(keV)以下的能区研究低频QPO的能力,这就使天文学家难以判断辐射是来自于高温气体的热辐射,还是高能粒子的非热辐射,并进而确认其准确的产生区域。


但我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼(HXMT)的出现改变了这一状况。慧眼卫星的有效能段为1keV~250keV,并且在30keV以上具有最大的有效面积,科学家们期待慧眼在一些黑洞中探测到30keV以上的低频QPO现象,从而对相关理论模型进行更加严格的检验。


9月21日,《自然·天文学》在线发表了慧眼卫星最新观测结果:在高于200keV以上的能段发现了黑洞双星系统的低频QPO,这是迄今为止发现的能量最高的低频QPO现象。



时间回到2018年3月11日,当时日本安装在国际空间站上的全天X射线图像监视器(MAXI)发现了一个新的黑洞X射线双星的爆发,该双星被称为MAXI J1820+070,在相当长一段时间里是天空中最亮的X射线源之一。在MAXI之后,慧眼卫星迅速做出反应,在几个月的时间内对这次爆发进行了超过140次的监测,积累了海量的观测数据。


慧眼卫星首次探测到了能量在200keV以上的低频QPO。| 图片来源:[1]


基于这些观测数据,研究团队发现MAXI J1820+070在很宽的能段范围内都存在低频QPO现象(如上图),最高能量超过200 keV,比慧眼卫星之前的QPO能量上限几乎提高了一个数量级,这说明该QPO并不来自吸积盘的热辐射区域。


进一步的研究还表明,QPO的频率和变化幅度都不随能量改变,且能量较低的QPO晚于能量较高的QPO产生,这些都和已有的流行模型严重冲突。


那么,此次观测到的低频QPO可能来自于哪里?


爱因斯坦于1915年发表的广义相对论告诉我们,引力是由弯曲的时空造成的。基于广义相对论,兰斯和蒂林(Lense & Thirring)在1918年提出,一个旋转的大质量物体会”拖曳“它所在的时空。因此,黑洞的自转也会对黑洞周围的空间产生拖曳效应,这就导致了黑洞视界附近的喷流发生进动。研究人员认为,观测到的低频QPO很可能起源于围绕黑洞的喷流的进动。


喷流进动模型的示意图。低频QPO起源于围绕黑洞进动的高速喷流。| 图片来源:[1]


过去,天文学家在射电、可见光和X射线波段,从很多黑洞X射线双星系统,以及遥远类星体中心的超大质量黑洞(质量是百万到百亿倍太阳质量)中,都观测到过高速运动的喷流。


然而,这些喷流距离黑洞都非常远,通常位于距离黑洞百万倍视界半径以外。而在如此远的距离下,黑洞的引力已经无法发挥显著的作用,因此天文学家并不清楚这些喷流到底起源于距离黑洞多远的位置,以及是如何从黑洞的强引力场中逃出并且被加速到接近光速的。


但这一次,慧眼卫星的观测将喷流的源头定位到距离黑洞上百公里(几倍黑洞视界半径)的区域,这是迄今为止观测到的距离黑洞最近的相对论喷流!


此次的观测,为解决一直以来存在争议的低频QPO物理起源问题提供了重要依据,对于研究黑洞附近的广义相对论效应、物质动力学过程和辐射机制等也都具有重大意义。


慧眼卫星关于MAXI J1820+070中低频QPO现象的研究成果,显示了其研究天体高能X射线快速光变的强大能力。未来,慧眼卫星有望发现更多的高能低频QPO现象,全面加深人们对于低频QPO现象的理解。


参考文献:

[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:原原

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