中國新發現 這個「冕」竟能逃離黑洞……

浩瀚太空,中國「慧眼」識英雄。最新發現,有個「冕」竟然能逃離黑洞!對於宇宙中引力極其強大的天體黑洞,人們常用「光都無法逃脫」來形容它足以吞噬一切的可怕。不過,中國科學家團隊通過中國首顆空間X射線天文衛星「慧眼」(HXMT)觀測數據最新研究發現,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。

中國新發現 這個「冕」竟能逃離黑洞……

「慧眼」衛星首次探測到冕的動力學演化。研究團隊 供圖

發現逃離黑洞之「冕」

記者2月15日從中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)獲悉,國際著名學術期刊《自然 通訊》當天在線發表中國「慧眼」衛星的最新科研成果——科學家團隊通過分析「慧眼」衛星觀測數據,在黑洞X射線雙星「MAXI J1820+070」中發現了逃離黑洞強引力場向外高速運動的冕,並且首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化。

該研究表明,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。

最新成果論文題為《「慧眼」衛星在黑洞X射線雙星MAXI J1820+070中發現了向外運動的冕》,由武漢大學、中科院高能所、中科院國家天文台、南京大學、清華大學等研究人員共同完成。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。

黑洞X射線雙星研究歷史

中科院高能所介紹說,早在上世紀60年代,天文學家就在銀河系中探測到X射線輻射源。在這些X射線源中,天鵝座X-1(Cygnus X-1)是第一個被認為存在黑洞的雙星系統。此後隨着天文學發展,在銀河系中發現的黑洞X射線雙星系統越來越多。目前普遍認為,在黑洞X射線雙星中,伴星物質被黑洞引力捕獲,旋轉着逐漸向黑洞運動,形成吸積盤結構,而在吸積盤內區附近又會形成高溫冕。然而,冕在黑洞附近如何運動一直是緻密天體研究中的一個未解之謎。

中國新發現 這個「冕」竟能逃離黑洞……

熱冕對吸積盤照射強度的演化。研究團隊 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發生爆發,而且在相當長一段時間里是天空中最亮的X射線源之一,「慧眼」衛星隨即對這個天體的爆發進行高頻次觀測。

2020年,中科院高能所領銜研究團隊通過分析「慧眼」衛星的時變數據,在MAXI J1820+070中發現迄今為止能量最高的低頻准周期振盪(QPO)信號,提供出從黑洞視界附近向外發出相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)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」衛星的能譜數據發現,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(即從冕出射的光子,照射到吸積盤和無窮遠處的流量比值)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。

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資料圖:低頻QPO起源於圍繞黑洞進動的高速噴流的藝術想象示意圖。中科院高能所「慧眼」衛星團隊 供圖

最新「冕王」研究確認

能逃脫黑洞引力的冕,當然堪稱「冕王」,研究確認其「加冕」頗受關注。

研究團隊指出,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於理論,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。

該團隊對同時期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(即尺度在減小);而越靠近黑洞,引力彎曲效應越強,吸積盤相對於冕的張角越大,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。

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資料圖:「慧眼」衛星發現離黑洞最近的噴流產生的准周期調制信號的藝術想象示意圖。中科院高能所「慧眼」衛星團隊 供圖

這和研究團隊對「慧眼」觀測數據的分析結果相反,究竟是為什麼?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「冕王」發現和確認的重要成果,第一次系統描繪出黑洞X射線雙星在爆發過程中,等離子體流逃離黑洞引力場的速度演化,對於理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。

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資料圖:「慧眼」衛星首次探測到了能量在200keV以上的低頻QPO。中科院高能所「慧眼」衛星團隊 供圖

「慧眼」衛星展示綜合優勢 這次最新的「冕」研究成果,是「慧眼」衛星通過其時變數據,在MAXI J1820+070的黑洞視界附近發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」衛星能譜數據,也發現以相對論速度向外運動的等離子體流及其速度的演化。研究團隊稱,這兩項相互印證的研究成果,展示出「慧眼」衛星進行寬能段時變和能譜研究的綜合優勢。

據了解,「慧眼」硬X射線調制望遠鏡(Hard X-ray Modulation Telescope,英文簡稱HXMT)衛星是中國第一顆空間天文衛星(也稱空間天文望遠鏡、空間天文台),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視儀。

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資料圖:「慧眼」衛星在太空的藝術想象圖。中科院高能所「慧眼」衛星團隊 供圖

作為中國首台空間X射線望遠鏡,「慧眼」衛星於2011年正式進入工程研製階段,2017年6月中旬發射成功,開展科學觀測。其攜帶高、中、低能三台X射線望遠鏡,主要科學目標包括:搜尋銀盤面上的新的暫現源,監測已知的變源;觀測X射線雙星以研究強引力場或強磁場中的運動和輻射機制;監測研究伽馬射線暴和引力波電磁對應體。

「慧眼」衛星項目由中科院高能所提出並牽頭負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學研究工作,它的成功發射和運行,使中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。

來源:cnBeta