“慧眼”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)距離黑洞最近的高速噴流

2020-09-25 10:58:04 來(lái)源：光明日?qǐng)?bào)

低頻QPO發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時(shí)變現(xiàn)象，表現(xiàn)為光變曲線上出現(xiàn)類似周期性但是并非精確周期性的調(diào)制。30多年來(lái)，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個(gè)未解

我國(guó)首顆空間X射線衛(wèi)星“慧眼”衛(wèi)星在高于200千電子伏特(keV)的能段發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星系統(tǒng)的低頻準(zhǔn)周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量最高的低頻QPO現(xiàn)象。研究表明，其起源于黑洞視界附近的相對(duì)論噴流(向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流)的進(jìn)動(dòng)，為解決一直以來(lái)存在爭(zhēng)議的低頻QPO物理起源問(wèn)題提供了重要依據(jù)。

這一成果由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、英國(guó)南安普頓大學(xué)、德國(guó)圖賓根大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)等單位的研究人員共同完成，在線發(fā)表于9月21日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》上。

低頻QPO發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時(shí)變現(xiàn)象，表現(xiàn)為光變曲線上出現(xiàn)類似周期性但是并非精確周期性的調(diào)制。30多年來(lái)，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個(gè)未解難題。目前，存在兩類最為流行的模型解釋低頻QPO現(xiàn)象，即物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)落向黑洞的過(guò)程中形成的吸積盤上的不穩(wěn)定性導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生振蕩，或者靠近黑洞的冕狀X射線輻射區(qū)的進(jìn)動(dòng)或振蕩導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生準(zhǔn)周期調(diào)制。

但在“慧眼”衛(wèi)星之前，X射線衛(wèi)星只具有在30keV以下的能區(qū)研究低頻QPO的能力，很難區(qū)分這些模型。“慧眼”衛(wèi)星的有效能段為1-250keV，并且在30keV以上具有最大的有效面積，科學(xué)家們期待“慧眼”的發(fā)現(xiàn)能對(duì)相關(guān)理論模型進(jìn)行更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

2018年3月11日，黑洞X射線雙星(由一個(gè)幾倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和一個(gè)恒星組成的雙星系統(tǒng))MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā)，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里是天空中最亮的X射線源之一。“慧眼”衛(wèi)星對(duì)這一重要天體進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的高頻次定點(diǎn)觀測(cè)，積累了海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

基于這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MAXI J1820+070在很寬的能段范圍內(nèi)都存在低頻QPO現(xiàn)象，最高能量超過(guò)200keV，比“慧眼”衛(wèi)星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明該QPO并不來(lái)自吸積盤的熱輻射區(qū)域。進(jìn)一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚于能量較高的QPO產(chǎn)生，這些都和已有的流行模型嚴(yán)重沖突。因此研究團(tuán)隊(duì)提出，該低頻QPO應(yīng)該產(chǎn)生于黑洞視界附近噴流的進(jìn)動(dòng)，很可能是黑洞自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廣義相對(duì)論的參考系拖曳效應(yīng)產(chǎn)生的。

噴流是運(yùn)動(dòng)速度接近光速的高速物質(zhì)流，以前在射電、可見(jiàn)光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統(tǒng)以及中心是超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量是百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量)的遙遠(yuǎn)類星體中都觀測(cè)到過(guò)，是黑洞系統(tǒng)的一種主要觀測(cè)特征，也是黑洞系統(tǒng)在吞噬周圍物質(zhì)的過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞都非常遠(yuǎn)(通常位于黑洞視界半徑百萬(wàn)倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實(shí)際上已經(jīng)不起作用了)，因此并不清楚這些噴流到底起源于距離黑洞多遠(yuǎn)的位置，以及是如何從黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)中逃出并且被加速到接近光速的。

“慧眼”衛(wèi)星的觀測(cè)第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里(幾倍黑洞視界半徑)的區(qū)域，這是迄今為止觀測(cè)到的距離黑洞最近的相對(duì)論噴流，對(duì)于研究黑洞附近的廣義相對(duì)論效應(yīng)、物質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和輻射機(jī)制等具有重大意義。