护目镜卫星发现高速等离子体逃离黑洞

2021年2月21日10:31:30科学探索95阅读模式

来源：中国科学院之声

2月15日，自然通信(《自然通讯》)在线公布了硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星的最新科研成果。通过分析HXMT卫星的观测数据，我们发现了逃离黑洞强引力场并高速向外运动的等离子流(简称日冕)，并在黑洞双星中首次观测到了日冕的速度演化。研究表明，日冕有向黑洞收缩的趋势，也以相对论速度向外运动，日冕尺度越小，速度越大。这一成果为研究黑洞吸积过程中日冕的运动提供了重要依据。

武汉大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院国家天文台、南京大学和清华大学的研究人员共同完成了黑洞x射线双星maxi j1820 070 (《慧眼卫星在黑洞X射线双星MAXI J1820+070中发现了向外运动的冕》)中射流状日冕的insight-hxmt观测研究工作。武汉大学是第一单位，天体物理中心的游贝博士是论文的第一作者，武汉大学教授王伟和高能研究所研究员张双南是论文的合著者。Goggles卫星是我国第一座X射线天文台，这一成就是武汉大学对Goggles科学成就的重要贡献。

20世纪60年代，天文学家在银河系探测到了X射线辐射源。在这些X射线源中，天鹅座X-1是第一个带有黑洞的双星系统。随着天文学的发展，银河系中发现了越来越多的黑洞X射线双星系统。目前普遍认为黑洞X射线双星中，伴星物质被黑洞引力俘获，在自转中逐渐向黑洞运动，形成吸积盘结构，在吸积盘内部区域附近形成高温冕。然而，皇冠是如何在黑洞附近移动的是研究致密天体的未解之谜。

2018年3月，距离我们约11300光年的黑洞X射线双星MAXI J1820 070爆发，成为长期以来天空中最亮的X射线源之一。护目镜卫星对这个天体的爆炸进行了高频观测。2020年，由高能领导的研究小组通过分析Goggles卫星的时变数据，发现了MAXI J1820 070中能量最高的低频准周期振荡(QPO)信号，为相对论性喷流(高速向外运动的等离子流)是从黑洞视界附近发出的提供了观测证据。最近，武汉大学天体物理中心领导的研究小组通过分析Goggles卫星的能谱数据发现，当X射线辐射强度逐渐减小，即日冕逐渐减弱时，X射线辐射对吸积盘的照射程度(即日冕发出的光子与吸积盘与无穷远之间的流量之比)也随之减弱。发现日冕发射的X射线光子对吸积盘的照射强度取决于日冕的运动速度和黑洞的引力场。

目前还不清楚冕在黑洞吸积过程中是如何运动的。以前的研究侧重于理论，观察证据相对较少。理论上，当日冕以相对论速度向外运动时，相对论群聚效应会减弱日冕对吸积盘的辐射。MAXI J1820 070的x射线时变分析表明，当x射线辐射电流强度逐渐减小时，日冕的几何尺度有向黑洞收缩的趋势(即尺度在减小)。越靠近黑洞，引力弯曲效应越强，吸积盘相对于日冕的张角越大。从日冕辐射出来的X射线光子应该已经以较大的比例照射到了吸积盘上，从而增强了日冕对吸积盘的照射，这与研究小组对Goggles观测数据的分析结果相反。研究小组指出，目前对这一现象最合理的解释是，在日冕收缩的同时，日冕中的等离子流以相对论速度向外运动，这为Goggles团队发现的黑洞附近的相对论喷流提供了独立的观测证据和物理解释。进一步发现日冕尺度越小，速度越大，因此日冕物质运动的相对论性团簇效应抑制了黑洞的引力弯曲效应。本研究首次系统描述了黑洞X射线双星爆炸过程中逃离黑洞引力场的等离子体流的演化，对于理解黑洞的吸积过程和相对论效应具有重要意义。

通过它的时变数据，Goggles卫星发现了等离子体流及其进动过程以相对论速度向外移动到MAXI J1820 070的黑洞视界附近。利用它的能谱数据，发现了以相对论速度向外运动的等离子体流及其速度演化。这两个相互印证的研究结果显示了Goggles卫星对宽能量范围时变和能谱研究的综合优势。