中國科學家通過分析慧眼衛星觀測數據首次發現黑洞冕高速運動變化

早在上世紀60年代，天文學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是第一個確認存在黑洞的雙星系統。隨著天文學的發展，在銀河系中發現的黑洞X射線雙星系統越來越多。

目前普遍認為，在黑洞X射線雙星中，伴星物質由黑洞重力捕獲，旋轉著逐漸向黑洞運動，形成吸積盤結構，而在吸積盤內區附近又會形成高溫冕。然而，冕在黑洞附近如何運動，一直是緻密天體研究中的未解之謎。

通過分析慧眼衛星觀測數據，科學家發現黑洞雙星中逃離黑洞強重力場向外高速運動的等離子體流（稱為：黑洞冕），並且首次在黑洞雙星中觀測到等離子體流的速度演化。

高溫冕是怎麼運動的呢？由於缺少觀測數據，科學家一直只能從理論上對這個問題做一些猜想。直到慧眼衛星的數據傳回來，人們開始了解這一難題的機會。

2018年3月，距我們大約11300光年處的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發生爆發，而且在相當長一段時間是天空中最亮的X射線源之一。

武漢大學天體物理中心博士遊貝表示，在此期間，慧眼衛星對這個天體的爆發進行了高頻次的觀測。

2020年，通過分析慧眼衛星的時變數據，由中國科學院高能物理研究所領銜的研究團隊，在MAXI J1820+070中發現到目前為止能量最高的低頻準週期振盪訊號，提供了從黑洞視界附近向外發出相對論噴流，或者說向外高速運動的等離子體流的觀測證據。

通過分析慧眼衛星的能譜數據，由武漢大學天體物理中心領銜的研究團隊又發現，當X射線輻射強度逐漸減小，亦即冕逐漸衰弱時，從冕出射的光子，照射到吸積盤和無窮遠處的流量比值在減弱，也就是說，冕對吸積盤的照射程度在減弱。研究團隊指出，從冕中出射的X射線光子對吸積盤的照射強弱，依賴冕的運動速度以及黑洞的重力場。

但是這個觀測結果，與理論預期剛好相反。現有理論認為，當冕以相對論速度向外運動時，相對論性集束效應（relativistic beaming effect）會削弱冕對吸積盤的照射，反之，當X射線輻射流強逐漸下降時，冕越靠近黑洞，引力彎曲效應越強，冕輻射出的X射線光子會有更大比例照射到吸積盤上，增強冕對吸積盤的照射。

同時期MAXI J1820+070的X射線時變分析顯示，當X射線輻射流強逐漸下降時，冕的幾何尺度趨向黑洞收縮，即尺度在減小。那麼，按照現有理論來推理，冕對吸積盤的照射應該增強才對。但是觀測到的情況並非如此。

研究團隊人員表示，目前對此最合理的解釋是，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動。研究團隊進一步發現，冕尺度越小，速度越大，因此冕物質運動的相對論性集束效應抑制了黑洞的重力彎曲效應。

這項研究最終顯示，冕趨向黑洞收縮的同時，也以相對論速度向外運動，而且冕的尺度越小，速度越大。

今次研究有系統地描繪了黑洞X射線雙星在爆發過程中，等離子體流逃離黑洞重力場的速度演化，對於理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。

【圖：中國科學院高能物理研究所；文：節錄自科學網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年2月15日出版的《自然-通訊》期刊

MAXI = Monitor of All-sky X-ray Image = 全天X射線圖像監察星表