浩瀚太空，中國“慧眼”識英雄。最新發(fā)現(xiàn)，有個“冕”竟然能逃離黑洞！對于宇宙中引力極其強(qiáng)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(xué)家團(tuán)隊(duì)通過中國首顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”(HXMT)觀測數(shù)據(jù)最新研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)引力場新的認(rèn)知。
記者2月15日從中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)獲悉，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》當(dāng)天在線發(fā)表中國“慧眼”衛(wèi)星的最新科研成果——科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過分析“慧眼”衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，在黑洞X射線雙星“MAXIJ1820+070”中發(fā)現(xiàn)了逃離黑洞強(qiáng)引力場向外高速運(yùn)動的冕，并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(yùn)動，而且冕的尺度越小，速度越大。同時，這項(xiàng)成果也為研究冕在黑洞吸積過程中的運(yùn)動提供了重要依據(jù)。
最新成果論文題為《“慧眼”衛(wèi)星在黑洞X射線雙星MAXIJ1820+070中發(fā)現(xiàn)了向外運(yùn)動的冕》，由武漢大學(xué)、中科院高能所、中科院國家天文臺、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。
中科院高能所介紹說，早在上世紀(jì)60年代，天文學(xué)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(CygnusX-1)是第一個被認(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射線雙星系統(tǒng)越來越多。目前普遍認(rèn)為，在黑洞X射線雙星中，伴星物質(zhì)被黑洞引力捕獲，旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運(yùn)動，形成吸積盤結(jié)構(gòu)，而在吸積盤內(nèi)區(qū)附近又會形成高溫冕。然而，冕在黑洞附近如何運(yùn)動一直是致密天體研究中的一個未解之謎。
2018年3月，距地球大約1.13萬光年處的黑洞X射線雙星MAXIJ1820+070發(fā)生爆發(fā)，而且在相當(dāng)長一段時間里是天空中最亮的X射線源之一，“慧眼”衛(wèi)星隨即對這個天體的爆發(fā)進(jìn)行高頻次觀測。
2020年，中科院高能所領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)通過分析“慧眼”衛(wèi)星的時變數(shù)據(jù)，在MAXIJ1820+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，提供出從黑洞視界附近向外發(fā)出相對論噴流(向外高速運(yùn)動的等離子體流)的觀測證據(jù)。
近期，武漢大學(xué)天體物理中心領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)通過分析“慧眼”衛(wèi)星的能譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線輻射強(qiáng)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(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射線光子對吸積盤的照射強(qiáng)弱，依賴冕的運(yùn)動速度以及黑洞的引力場。
最新“冕王”研究確認(rèn)
能逃脫黑洞引力的冕，當(dāng)然堪稱“冕王”，研究確認(rèn)其“加冕”頗受關(guān)注。
研究團(tuán)隊(duì)指出，冕在黑洞吸積過程中如何運(yùn)動尚不明確，以往的研究比較側(cè)重于理論，觀測證據(jù)相對較少。理論上，當(dāng)冕以相對論速度向外運(yùn)動時，相對論性集束效應(yīng)會削弱冕對吸積盤的照射。
該團(tuán)隊(duì)對同時期MAXIJ1820+070的X射線時變分析顯示，當(dāng)X射線輻射流強(qiáng)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(yīng)越強(qiáng)，吸積盤相對于冕的張角越大，冕輻射出的X射線光子本應(yīng)有更大比例照射到吸積盤上，增強(qiáng)冕對吸積盤的照射。
這和研究團(tuán)隊(duì)對“慧眼”觀測數(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，冕中的等離子體流正在以相對論速度向外運(yùn)動。這為“慧眼”團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的離黑洞很近的相對論噴流提供了獨(dú)立的觀測證據(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)動的相對論性集束效應(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(yīng)意義重大。
“慧眼”衛(wèi)星展示綜合優(yōu)勢這次最新的“冕”研究成果，是“慧眼”衛(wèi)星通過其時變數(shù)據(jù)，在MAXIJ1820+070的黑洞視界附近發(fā)現(xiàn)以相對論速度向外運(yùn)動的等離子體流及其進(jìn)動過程，同時，利用“慧眼”衛(wèi)星能譜數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)以相對論速度向外運(yùn)動的等離子體流及其速度的演化。研究團(tuán)隊(duì)稱，這兩項(xiàng)相互印證的研究成果，展示出“慧眼”衛(wèi)星進(jìn)行寬能段時變和能譜研究的綜合優(yōu)勢。
據(jù)了解，“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HardX-rayModulationTelescope，英文簡稱HXMT)衛(wèi)星是中國第一顆空間天文衛(wèi)星(也稱空間天文望遠(yuǎn)鏡、空間天文臺)，它既可以實(shí)現(xiàn)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(biāo)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。
作為中國首臺空間X射線望遠(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，開展科學(xué)觀測。其攜帶高、中、低能三臺X射線望遠(yuǎn)鏡，主要科學(xué)目標(biāo)包括：搜尋銀盤面上的新的暫現(xiàn)源，監(jiān)測已知的變源；觀測X射線雙星以研究強(qiáng)引力場或強(qiáng)磁場中的運(yùn)動和輻射機(jī)制；監(jiān)測研究伽馬射線暴和引力波電磁對應(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，使中國在國際競爭激烈的高能天體物理觀測領(lǐng)域占有重要一席之地。
