慧眼衞星又有新發現 窺見距離黑洞最近的噴流

我國第一顆空間X射線天文衞星慧眼衞星又有新發現！

9月22日，記者從中國科學院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）獲悉，來自該所等國內外單位的研究人員利用慧眼衞星在高於200千電子伏特（keV）的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準週期振盪，這是迄今為止發現的能量最高的低頻準週期振盪現象。研究表明，該振盪起源於黑洞視界附近噴流的進動。相關成果在線發表於《自然·天文學》上。

緻密天體研究的待解難題

發現於20世紀80年代的低頻準週期振盪，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象，表現為光變曲線上出現類似週期性但是並非精確週期性的調製信號。“30多年來，低頻準週期振盪的起源一直是緻密天體研究的一個待解難題。”論文第一作者、中科院高能所馬想博士説。

目前，解釋低頻準週期振盪現象最流行的模型有兩類。一類模型認為，物質在旋轉落向黑洞的過程中形成吸積盤，這個吸積盤的不穩定性會導致X射線輻射產生振盪；另一類模型認為，靠近黑洞的冕狀X射線輻射區的進動或振盪導致X射線輻射產生準週期調製信號。

“在慧眼衞星之前，X射線衞星只具有研究30keV以下能區低頻準週期振盪的能力，很難區分這些模型。”論文共同通訊作者、中科院高能所陶煉博士説。慧眼衞星的有效能段為1keV—250keV，且和國外同類衞星相比，在30keV以上的X射線能段具有最大的有效面積，科學家期待慧眼衞星在一些黑洞中探測到30keV以上的低頻準週期振盪現象，從而對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。

黑洞附近接近光速“逃脱”物質流

2018年3月11日，黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發，在相當長的一段時間裏成為天空中最亮的X射線源之一。慧眼衞星快速反應，對這一重要天體過程進行了長達幾個月的高頻次定點觀測，積累了海量的觀測數據。

基於這些觀測數據，研究團隊發現MAXI J1820+070在很寬的能段範圍內都存在低頻準週期振盪現象，最高能量超過200keV，比慧眼衞星之前觀測到的低頻準週期振盪能量上限幾乎提高了一個數量級，這説明該低頻準週期振盪並不來自吸積盤的熱輻射區域。進一步研究表明，低頻準週期振盪的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的低頻準週期振盪晚於能量較高的低頻準週期振盪產生，這些都和已有的流行模型嚴重衝突。

“因此，我們提出該低頻準週期振盪應該產生於黑洞視界附近噴流的進動，很可能是黑洞自轉產生的廣義相對論參考系拖曳效應產生的。”論文共同通訊作者、中科院高能所研究員張雙南説。

所謂噴流，是指運動速度接近光速的高速物質流，是黑洞系統的一種主要觀測特徵，也是黑洞系統在吞噬周圍物質的過程中對周圍環境產生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞非常遠，因此並不清楚這些噴流到底起源於距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出並且被加速到接近光速的。

對此，張雙南表示，慧眼衞星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，對於研究黑洞附近的廣義相對論效應、物質動力學過程和輻射機制等具有重大意義。