慧眼卫星新发现!这个“冕”竟能逃离黑洞

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  光都无法逃脱,如饕餮般吞食一切的黑洞,真的会偶尔打个“饱嗝”,把吃进去的东西“吐出来”吗?2月15日,《自然?通讯》在线发表了一项慧眼卫星的最新科研成果。

  通过分析慧眼卫星观测数据,来自武汉大学和中科院高能所等单位的研究人员在黑洞双星中发现,通常称为冕的等离子体流可以逃离黑洞强引力场,向外高速运动,并且首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化。研究表明,冕趋向黑洞收缩的同时,也以接近光速向外运动,而且冕的尺度越小,速度越大。这项成果为研究冕在黑洞吸积过程中的运动提供了重要依据。

  黑洞吞噬恒星的过程,通常以“双星共舞”的形式展开。早在上世纪60年代,天文学家就在银河系中探测到了X射线辐射源。在这些X射线源中,天鹅座X-1是第一个被认为存在黑洞的双星系统。随着天文学的发展,在银河系中发现的黑洞X射线双星系统越来越多。

  黑洞本身虽无光,但在黑洞X射线双星中,大量伴星物质会被吸附在黑洞周围转动,形成一个发光的盘状结构,也就是通常说的吸积盘。在吸积盘内区附近,科学家们发现了一团超高温等离子体,也就是神秘的黑洞“光冕”,类似于太阳周围的日冕。“然而,冕在黑洞附近如何运动一直是致密天体研究中的一个未解之谜。”论文第一作者,武汉大学游贝博士说。

  2018年3月,距我们大约11300光年处的黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发,而且在相当长一段时间里是天空中最亮的X射线源之一。慧眼卫星对这个天体的爆发进行了高频次的观测。

  2020年,通过分析慧眼卫星的时变数据,由高能所领衔的研究团队在MAXI J1820+070中发现了迄今为止能量最高的低频准周期振荡(QPO)信号,提供了从黑洞视界附近向外发出相对论喷流,也就是向外高速运动的等离子体流的观测证据。

  对于冕在黑洞吸积过程中如何运动,以往的研究比较侧重于理论,观测证据相对较少。理论上,越靠近黑洞,由于引力弯曲效应和吸积盘相对于冕的张角的缘故,冕辐射出的X射线光子对吸积盘上的照射程度应该越强。

  然而,这和研究团队对慧眼观测数据的分析结果恰恰相反。近期,通过分析慧眼卫星的能谱数据,研究人员发现,当冕逐渐衰弱,空间尺度趋向黑洞收缩时,其对吸积盘的照射程度也在减弱。

  研究团队指出,目前对这一现象最合理的解释是:冕在收缩的同时,冕中的等离子体流正在以接近光速向外运动,这为慧眼团队已经发现的离黑洞很近的相对论喷流提供了独立的观测证据和物理解释。

  研究团队进一步发现,冕尺度越小,速度越大,因此冕物质运动的相对论性集束效应抑制了黑洞的引力弯曲效应。此研究成果第一次系统地描绘了黑洞X射线双星在爆发过程中,等离子体流逃离黑洞引力场的速度演化,对于理解黑洞吸积过程和相对论效应意义重大。

  慧眼卫星通过其时变数据,在MAXI J1820+070的黑洞视界附近发现了以接近光速向外运动的等离子体流,及其进动过程;而利用其能谱数据,也发现了以接近光速向外运动的等离子体流,及其速度的演化。

  对此,论文共同通讯作者、中科院高能所研究员张双南表示,这两项相互印证的研究成果,展示了慧眼卫星进行宽能段时变和能谱研究的综合优势。

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