天文學家發現帶有扭曲吸積盤的黑洞

一組來自英國、法國和美國的國際天文學家團隊發現距離銀河系最近的一個黑洞的光有巨大變化，該黑洞距離地球約九千六百光年，他們認為這是由於吸積盤的繁雜造成。

這個命名為MAXI J1820+070的天體在2018年3月爆發，是一種新型X射線瞬變，由國際太空站上的日本X射線望遠鏡發現。該瞬變系統出現劇烈爆發，天文學家認為它是顆雙星系統，由一顆類似太陽的低質量能量和一顆更緻密的天體：白矮星、中子星組成的黑洞。 如果是黑洞，研究團隊認為它會包含一個質量至少是八倍太陽質量的黑洞。

這個發現是由美國變星觀測者協會（AAVSO）的全球業餘愛好者在近一年的時間獲得的廣泛而詳細光度變化曲線得出。MAXI J1820+070是至今為止觀測到的三個最亮的X射線瞬變現象之一，這是由於它離地球很近，又不在銀河系的模糊平面之外。它在好幾個月裡都很亮，所以才有可能有這麼多的業餘愛好者跟隨它。

英國修咸頓大學（University of Southampton）研究小組成員菲利普·查爾斯（Philip Charles）教授解釋：「來自正常恆星的物質由緻密天體拉入它的周圍的螺旋氣體吸積盤。當圓盤中的物質變熱而且不穩定時，就會發生大規模的爆發，並在穿越視界之前聚集到黑洞上釋放出大量的能量。這個過程是混亂的，而且變化很大，時間尺度從毫秒到幾個月不等。」

研究團隊製作了一個可視化系統，展示了巨大的X射線輸出是如何從非常接近黑洞的地方發射出來的，然後輻射周圍的物質，特別是吸積盤，將其加熱到大約一萬K的溫度，這就是發射出來的可見光。因此當X射線爆發減弱時，可見光也減弱。

但在爆發近三個月後發生一件科學家意料之外的事情，當時光度變化曲線開始大幅度下調時，亮度在峰值時幾乎增加了一倍，大約持續了17個小時。然而，X射線輸出沒有任何變化，仍然保持穩定。雖然在過去的X射線瞬態爆發中也曾觀測到小的準週期可見的變化，但從未見過如此規模的改變。

是什麼導致了這種不發光的行為？查爾斯教授說：「從圖中所示的系統角度來看，我們可以很快排除通常的解釋，即是X射線照亮恆星的內表面，從質量傳遞流撞擊星盤的地方發出的光發生了變化。」

一個可能的解釋，是巨大的X射線流照射吸積盤並導致它扭曲。這種扭曲讓可由照亮的光盤區域大幅增加，從而使在一定時間內觀看到，視覺光能量急劇增加。這種行為曾在有更大質量天體的X射線雙星中觀察到，但從未在像這樣有低質量天體的黑洞瞬變中看到過。這為研究扭曲吸積盤的結構和性質開闢一條全新的途徑。

在一組已經很有趣的天體中，這個天體具有不同尋常特性，它讓我們了解很多關於恆星演化的極端和緻密天體形成的知識。我們已經知道銀河系中有幾十個黑洞雙星系統，它們的質量都在太陽質量的五至十五倍範圍內。它們都是通過物質的累積而生長。

大約從五年前開始，口徑十米的南非大型望遠鏡瞬態天體的重大科學研究項目已經對緻密雙星進行許多重要的觀測，包括像MAXI J1820+070這樣的黑洞系統。南非天文台首席研究員大衛·巴克利（David Buckley）表示，南非大型望遠鏡是研究這些X射線雙星在爆發期間變化行為的完美工具，它可以定期監測幾周到幾個月，並可以與其它望遠鏡的觀測相協調，包括太空望遠鏡。

【圖：英國修咸頓大學；文：節錄自科學網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年10月26日出版的英國《皇家天文學會月報》 標題是：Large optical modulations during 2018 outburst of MAXI J1820+070 reveal evolution of warped accretion disc through X-ray state change

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