慧眼卫星又有新发现 窥见距离黑洞最近的喷流

陆成宽

2020年09月28日  来源：科技日报

我国第一颗空间X射线天文卫星慧眼卫星又有新发现！

9月22日，记者从中国科学院高能物理研究所（以下简称中科院高能所）获悉，来自该所等国内外单位的研究人员利用慧眼卫星在高于200千电子伏特（keV）的能段发现了黑洞双星系统的低频准周期振荡，这是迄今为止发现的能量最高的低频准周期振荡现象。研究表明，该振荡起源于黑洞视界附近喷流的进动。相关成果在线发表于《自然·天文学》上。

致密天体研究的待解难题

发现于20世纪80年代的低频准周期振荡，是一种在X射线双星中普遍存在的时变现象，表现为光变曲线上出现类似周期性但是并非精确周期性的调制信号。“30多年来，低频准周期振荡的起源一直是致密天体研究的一个待解难题。”论文第一作者、中科院高能所马想博士说。

目前，解释低频准周期振荡现象最流行的模型有两类。一类模型认为，物质在旋转落向黑洞的过程中形成吸积盘，这个吸积盘的不稳定性会导致X射线辐射产生振荡；另一类模型认为，靠近黑洞的冕状X射线辐射区的进动或振荡导致X射线辐射产生准周期调制信号。

“在慧眼卫星之前，X射线卫星只具有研究30keV以下能区低频准周期振荡的能力，很难区分这些模型。”论文共同通讯作者、中科院高能所陶炼博士说。慧眼卫星的有效能段为1keV—250keV，且和国外同类卫星相比，在30keV以上的X射线能段具有最大的有效面积， 科学家期待慧眼卫星在一些黑洞中探测到30keV以上的低频准周期振荡现象，从而对相关理论模型进行更加严格的检验。

黑洞附近接近光速“逃脱”物质流

2018年3月11日，黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发，在相当长的一段时间里成为天空中最亮的X射线源之一。慧眼卫星快速反应，对这一重要天体过程进行了长达几个月的高频次定点观测，积累了海量的观测数据。

基于这些观测数据，研究团队发现MAXI J1820+070在很宽的能段范围内都存在低频准周期振荡现象，最高能量超过200keV，比慧眼卫星之前观测到的低频准周期振荡能量上限几乎提高了一个数量级，这说明该低频准周期振荡并不来自吸积盘的热辐射区域。进一步研究表明，低频准周期振荡的频率和变化幅度都不随能量改变，且能量较低的低频准周期振荡  晚于能量较高的低频准周期振荡产生，这些都和已有的流行模型严重冲突。

“因此，我们提出该低频准周期振荡应该产生于黑洞视界附近喷流的进动，很可能是黑洞自转产生的广义相对论参考系拖曳效应产生的。”论文共同通讯作者、中科院高能所研究员张双南说。

所谓喷流，是指运动速度接近光速的高速物质流，是黑洞系统的一种主要观测特征，也是黑洞系统在吞噬周围物质的过程中对周围环境产生显著反馈影响的一种主要手段。但是这些喷流距离黑洞非常远，因此并不清楚这些喷流到底起源于距离黑洞多远的位置，以及是如何从黑洞的强引力场中逃出并且被加速到接近光速的。

对此，张双南表示，慧眼卫星的观测第一次将喷流的源头定位到距离黑洞上百公里的区域，这是迄今为止观测到的距离黑洞最近的相对论喷流，对于研究黑洞附近的广义相对论效应、物质动力学过程和辐射机制等具有重大意义。