“強大到可以吞噬一切，光都無法逃脫！”過去人們常用這句話來形容天體黑洞的可怕。不過，中國科學家團隊通過我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”觀測數據最新研究發(fā)現，一個俗稱“冕”的等離子體流竟然能逃離黑洞，這將給人們帶來對黑洞強引力場新的認知。
2月15日，國際學術期刊《自然？通訊》在線發(fā)表了這項“慧眼”衛(wèi)星的最新科研成果。研究表明，“冕”趨向黑洞收縮的同時，也以相對論速度向外運動，而且“冕”的尺度越小，速度越大。同時，這項成果也為研究“冕”在黑洞吸積過程中的運動提供了重要依據。
該研究由武漢大學、中科院高能所、中科院國家天文臺、南京大學、清華大學等單位的研究人員共同完成。武漢大學天體物理中心游貝博士是第一作者，武漢大學王偉教授和中科院高能所張雙南研究員是共同通訊作者。
?。ā盎垩邸毙l(wèi)星首次探測到冕的動力學演化。研究團隊 供圖）
據張雙南介紹，黑洞吞噬恒星的過程，通常以“雙星共舞”的形式展開。早在20世紀60年代，天文學家就在銀河系中探測到了X射線輻射源。在這些X射線源中，天鵝座X-1是第一個被認為存在黑洞的雙星系統(tǒng)。隨著天文學的發(fā)展，在銀河系中發(fā)現的黑洞X射線雙星系統(tǒng)越來越多。
天文學界普遍認為，黑洞本身雖無光，但在黑洞X射線雙星中，大量伴星物質會被吸附在黑洞周圍轉動，形成一個發(fā)光的盤狀結構，也就是通常說的吸積盤。在吸積盤內區(qū)附近，科學家們發(fā)現了一團超高溫等離子體，也就是神秘的黑洞“光冕”，類似于太陽周圍的日冕。
然而，“冕”在黑洞附近如何運動，一直是致密天體研究中的一個未解之謎。
?。ā盎垩邸毙l(wèi)星發(fā)現離黑洞最近的噴流產生的準周期調制信號的藝術想象示意圖。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團隊 供圖）
2018年3月，距地球大約1.13萬光年處的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)，在相當長一段時間里，成為天空中最亮的X射線源之一，“慧眼”衛(wèi)星隨即對這個天體的爆發(fā)進行高頻次觀測。
“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星是我國第一顆空間天文衛(wèi)星，它既可以實現寬波段、大視場X射線巡天，又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時標光變和寬波段能譜，同時還是具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監(jiān)視儀。
?。ā盎垩邸毙l(wèi)星在太空的藝術想象圖。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團隊 供圖）
2020年，中科院高能所領銜研究團隊通過分析“慧眼”衛(wèi)星的時變數據，在MAXI J1820+070中發(fā)現迄今為止能量最高的低頻準周期振蕩信號，提供出從黑洞視界附近向外發(fā)出相對論噴流的觀測證據。
近期，武漢大學天體物理中心領銜研究團隊通過分析“慧眼”衛(wèi)星的能譜數據發(fā)現，當X射線輻射強度逐漸減小，亦即“冕”逐漸衰弱時，其對吸積盤的照射程度也在減弱。研究團隊指出，從“冕”中出射的X射線光子對吸積盤的照射強弱，依賴“冕”的運動速度以及黑洞的引力場。
游貝表示，“冕”在黑洞吸積過程中如何運動尚不明確，以往的研究比較側重于理論，觀測證據相對較少。理論上，當“冕”以相對論速度向外運動時，相對論性集束效應會削弱“冕”對吸積盤的照射。
研究團隊對同時期MAXI J1820+070的X射線時變分析顯示，當X射線輻射流強逐漸下降時，“冕”的幾何尺度趨向黑洞收縮；而越靠近黑洞，引力彎曲效應越強，吸積盤相對于“冕”的張角越大，“冕”輻射出的X射線光子本應有更大比例照射到吸積盤上，增強“冕”對吸積盤的照射。
這和研究團隊對“慧眼”觀測數據的分析結果恰恰相反，怎么回事？
研究團隊認為，目前這一現象最合理的解釋是：“冕”在收縮的同時，“冕”中的等離子體流正在以相對論速度向外運動。這為“慧眼”團隊已經發(fā)現的離黑洞很近的相對論噴流提供了獨立的觀測證據和物理解釋。進一步研究發(fā)現，“冕”尺度越小，速度越大，因此“冕”物質運動的相對論性集束效應抑制了黑洞的引力彎曲效應。
研究團隊表示，此次“冕”發(fā)現和確認的重要成果，第一次系統(tǒng)描繪出黑洞X射線雙星在爆發(fā)過程中，等離子體流逃離黑洞引力場的速度演化，對于理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。
這次最新的“冕”研究成果，是“慧眼”衛(wèi)星通過其時變數據，在MAXI J1820+070的黑洞視界附近發(fā)現以相對論速度向外運動的等離子體流及其進動過程，同時，利用“慧眼”衛(wèi)星能譜數據，也發(fā)現以相對論速度向外運動的等離子體流及其速度的演化。
張雙南表示，這兩項相互印證的研究成果，展示出“慧眼”衛(wèi)星進行寬能段時變和能譜研究的綜合優(yōu)勢。
作為我國首臺空間X射線望遠鏡，“慧眼”衛(wèi)星于2011年正式進入工程研制階段，2017年6月中旬發(fā)射成功，開展科學觀測。該衛(wèi)星項目由中科院高能所提出并牽頭負責衛(wèi)星有效載荷、地面應用系統(tǒng)和科學研究工作，它的成功發(fā)射和運行，讓我國在國際競爭激烈的高能天體物理觀測領域占有重要一席之地。
（源自中青報客戶端2021-02-16版 原版鏈接：https://s.cyol.com/articles/2021-02/16/content_r5A5NaFM.html?gid=4LkvKv17）
附件下載：
