“慧眼”衛(wèi)星首次探測(cè)到冕的動(dòng)力學(xué)演化。研究團(tuán)隊(duì)供圖
熱冕對(duì)吸積盤(pán)照射強(qiáng)度的演化。研究團(tuán)隊(duì)供圖
資料圖:低頻QPO起源于圍繞黑洞進(jìn)動(dòng)的高速?lài)娏鞯乃囆g(shù)想象示意圖。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)供圖
資料圖:“慧眼”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)離黑洞最近的噴流產(chǎn)生的準(zhǔn)周期調(diào)制信號(hào)的藝術(shù)想象示意圖。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)供圖
資料圖:“慧眼”衛(wèi)星首次探測(cè)到了能量在200keV以上的低頻QPO。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)供圖
資料圖:“慧眼”衛(wèi)星在太空的藝術(shù)想象圖。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)供圖
對(duì)于宇宙中引力極其強(qiáng)大的天體黑洞,人們常用“光都無(wú)法逃脫”來(lái)形容它足以吞噬一切的可怕。
不過(guò),中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)中國(guó)首顆空間X射線(xiàn)天文衛(wèi)星“慧眼”(HXMT)觀測(cè)數(shù)據(jù)最新研究發(fā)現(xiàn),一個(gè)俗稱(chēng)“冕”的等離子體流竟然能逃離黑洞,這將給人們帶來(lái)對(duì)黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)新的認(rèn)知。
發(fā)現(xiàn)逃離黑洞之“冕”
記者2月15日從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)獲悉,國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然 通訊》當(dāng)天在線(xiàn)發(fā)表中國(guó)“慧眼”衛(wèi)星的最新科研成果——科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析“慧眼”衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),在黑洞X射線(xiàn)雙星“MAXI J1820+070”中發(fā)現(xiàn)了逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)向外高速運(yùn)動(dòng)的冕,并且首次在黑洞雙星中觀測(cè)到冕的速度演化。
該研究表明,冕趨向黑洞收縮的同時(shí),也以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng),而且冕的尺度越小,速度越大。同時(shí),這項(xiàng)成果也為研究冕在黑洞吸積過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)提供了重要依據(jù)。
最新成果論文題為《“慧眼”衛(wèi)星在黑洞X射線(xiàn)雙星MAXI J1820+070中發(fā)現(xiàn)了向外運(yùn)動(dòng)的冕》,由武漢大學(xué)、中科院高能所、中科院國(guó)家天文臺(tái)、南京大學(xué)、清華大學(xué)等研究人員共同完成。武漢大學(xué)天體物理中心游貝博士是第一作者,武漢大學(xué)王偉教授和中科院高能所張雙南研究員是共同通訊作者。
黑洞X射線(xiàn)雙星研究歷史
中科院高能所介紹說(shuō),早在上世紀(jì)60年代,天文學(xué)家就在銀河系中探測(cè)到X射線(xiàn)輻射源。在這些X射線(xiàn)源中,天鵝座X-1(Cygnus X-1)是第一個(gè)被認(rèn)為存在黑洞的雙星系統(tǒng)。此后隨著天文學(xué)發(fā)展,在銀河系中發(fā)現(xiàn)的黑洞X射線(xiàn)雙星系統(tǒng)越來(lái)越多。目前普遍認(rèn)為,在黑洞X射線(xiàn)雙星中,伴星物質(zhì)被黑洞引力捕獲,旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運(yùn)動(dòng),形成吸積盤(pán)結(jié)構(gòu),而在吸積盤(pán)內(nèi)區(qū)附近又會(huì)形成高溫冕。然而,冕在黑洞附近如何運(yùn)動(dòng)一直是致密天體研究中的一個(gè)未解之謎。
2018年3月,距地球大約1.13萬(wàn)光年處的黑洞X射線(xiàn)雙星MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā),而且在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里是天空中最亮的X射線(xiàn)源之一,“慧眼”衛(wèi)星隨即對(duì)這個(gè)天體的爆發(fā)進(jìn)行高頻次觀測(cè)。
2020年,中科院高能所領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析“慧眼”衛(wèi)星的時(shí)變數(shù)據(jù),在MAXI J1820+070中發(fā)現(xiàn)迄今為止能量最高的低頻準(zhǔn)周期振蕩(QPO)信號(hào),提供出從黑洞視界附近向外發(fā)出相對(duì)論噴流(向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流)的觀測(cè)證據(jù)。
近期,武漢大學(xué)天體物理中心領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析“慧眼”衛(wèi)星的能譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)X射線(xiàn)輻射強(qiáng)度逐漸減小,亦即冕逐漸衰弱時(shí),其對(duì)吸積盤(pán)的照射程度(即從冕出射的光子,照射到吸積盤(pán)和無(wú)窮遠(yuǎn)處的流量比值)也在減弱。研究團(tuán)隊(duì)指出,從冕中出射的X射線(xiàn)光子對(duì)吸積盤(pán)的照射強(qiáng)弱,依賴(lài)冕的運(yùn)動(dòng)速度以及黑洞的引力場(chǎng)。
最新“冕王”研究確認(rèn)
能逃脫黑洞引力的冕,當(dāng)然堪稱(chēng)“冕王”,研究確認(rèn)其“加冕”頗受關(guān)注。
研究團(tuán)隊(duì)指出,冕在黑洞吸積過(guò)程中如何運(yùn)動(dòng)尚不明確,以往的研究比較側(cè)重于理論,觀測(cè)證據(jù)相對(duì)較少。理論上,當(dāng)冕以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng)時(shí),相對(duì)論性集束效應(yīng)會(huì)削弱冕對(duì)吸積盤(pán)的照射。
該團(tuán)隊(duì)對(duì)同時(shí)期MAXI J1820+070的X射線(xiàn)時(shí)變分析顯示,當(dāng)X射線(xiàn)輻射流強(qiáng)逐漸下降時(shí),冕的幾何尺度趨向黑洞收縮(即尺度在減小);而越靠近黑洞,引力彎曲效應(yīng)越強(qiáng),吸積盤(pán)相對(duì)于冕的張角越大,冕輻射出的X射線(xiàn)光子本應(yīng)有更大比例照射到吸積盤(pán)上,增強(qiáng)冕對(duì)吸積盤(pán)的照射。
這和研究團(tuán)隊(duì)對(duì)“慧眼”觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果相反,究竟是為什么?研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,目前這一現(xiàn)象最合理的解釋是:冕在收縮的同時(shí),冕中的等離子體流正在以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng)。這為“慧眼”團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的離黑洞很近的相對(duì)論噴流提供了獨(dú)立的觀測(cè)證據(jù)和物理解釋。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),冕尺度越小,速度越大,因此冕物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性集束效應(yīng)抑制了黑洞的引力彎曲效應(yīng)。
研究團(tuán)隊(duì)表示,此次“冕王”發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的重要成果,第一次系統(tǒng)描繪出黑洞X射線(xiàn)雙星在爆發(fā)過(guò)程中,等離子體流逃離黑洞引力場(chǎng)的速度演化,對(duì)于理解黑洞吸積過(guò)程和相對(duì)論效應(yīng)意義重大。
“慧眼”衛(wèi)星展示綜合優(yōu)勢(shì)
這次最新的“冕”研究成果,是“慧眼”衛(wèi)星通過(guò)其時(shí)變數(shù)據(jù),在MAXI J1820+070的黑洞視界附近發(fā)現(xiàn)以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng)的等離子體流及其進(jìn)動(dòng)過(guò)程,同時(shí),利用“慧眼”衛(wèi)星能譜數(shù)據(jù),也發(fā)現(xiàn)以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng)的等離子體流及其速度的演化。研究團(tuán)隊(duì)稱(chēng),這兩項(xiàng)相互印證的研究成果,展示出“慧眼”衛(wèi)星進(jìn)行寬能段時(shí)變和能譜研究的綜合優(yōu)勢(shì)。
據(jù)了解,“慧眼”硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(Hard X-ray Modulation Telescope,英文簡(jiǎn)稱(chēng)HXMT)衛(wèi)星是中國(guó)第一顆空間天文衛(wèi)星(也稱(chēng)空間天文望遠(yuǎn)鏡、空間天文臺(tái)),它既可以實(shí)現(xiàn)寬波段、大視場(chǎng)X射線(xiàn)巡天,又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時(shí)標(biāo)光變和寬波段能譜,同時(shí)還是具有高靈敏度的伽馬射線(xiàn)暴全天監(jiān)視儀。
作為中國(guó)首臺(tái)空間X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡,“慧眼”衛(wèi)星于2011年正式進(jìn)入工程研制階段,2017年6月中旬發(fā)射成功,開(kāi)展科學(xué)觀測(cè)。其攜帶高、中、低能三臺(tái)X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡,主要科學(xué)目標(biāo)包括:搜尋銀盤(pán)面上的新的暫現(xiàn)源,監(jiān)測(cè)已知的變?cè)?;觀測(cè)X射線(xiàn)雙星以研究強(qiáng)引力場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和輻射機(jī)制;監(jiān)測(cè)研究伽馬射線(xiàn)暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體。
“慧眼”衛(wèi)星項(xiàng)目由中科院高能所提出并牽頭負(fù)責(zé)衛(wèi)星有效載荷、地面應(yīng)用系統(tǒng)和科學(xué)研究工作,它的成功發(fā)射和運(yùn)行,使中國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈的高能天體物理觀測(cè)領(lǐng)域占有重要一席之地?! ?/p>
?。ㄔ醋灾行律缥⑿殴娞?hào)2021年02月15日版 原版地址:http://www.chinanews.com/gn/2021/02-15/9412231.shtml)
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