浩瀚太空，中國“慧眼”識英雄。最新發(fā)現，有個(gè)“冕”竟然能逃離黑洞！對于宇宙中引力極其強大的天體黑洞，人們常用“光都無(wú)法逃脫”來(lái)形容它足以吞噬一切的可怕。不過(guò)，中國科學(xué)家團隊通過(guò)中國首顆空間X射線(xiàn)天文衛星“慧眼”(HXMT)觀(guān)測數據最新研究發(fā)現，一個(gè)俗稱(chēng)“冕”的等離子體流竟然能逃離黑洞，這將給人們帶來(lái)對黑洞強引力場(chǎng)新的認知。
記者2月15日從中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)獲悉，國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》當天在線(xiàn)發(fā)表中國“慧眼”衛星的最新科研成果——科學(xué)家團隊通過(guò)分析“慧眼”衛星觀(guān)測數據，在黑洞X射線(xiàn)雙星“MAXIJ1820+070”中發(fā)現了逃離黑洞強引力場(chǎng)向外高速運動(dòng)的冕，并且首次在黑洞雙星中觀(guān)測到冕的速度演化。
該研究表明，冕趨向黑洞收縮的同時(shí)，也以相對論速度向外運動(dòng)，而且冕的尺度越小，速度越大。同時(shí)，這項成果也為研究冕在黑洞吸積過(guò)程中的運動(dòng)提供了重要依據。
最新成果論文題為《“慧眼”衛星在黑洞X射線(xiàn)雙星MAXIJ1820+070中發(fā)現了向外運動(dòng)的冕》，由武漢大學(xué)、中科院高能所、中科院國家天文臺、南京大學(xué)、清華大學(xué)等研究人員共同完成。武漢大學(xué)天體物理中心游貝博士是第一作者，武漢大學(xué)王偉教授和中科院高能所張雙南研究員是共同通訊作者。
中科院高能所介紹說(shuō)，早在上世紀60年代，天文學(xué)家就在銀河系中探測到X射線(xiàn)輻射源。在這些X射線(xiàn)源中，天鵝座X-1(CygnusX-1)是第一個(gè)被認為存在黑洞的雙星系統。此后隨著(zhù)天文學(xué)發(fā)展，在銀河系中發(fā)現的黑洞X射線(xiàn)雙星系統越來(lái)越多。目前普遍認為，在黑洞X射線(xiàn)雙星中，伴星物質(zhì)被黑洞引力捕獲，旋轉著(zhù)逐漸向黑洞運動(dòng)，形成吸積盤(pán)結構，而在吸積盤(pán)內區附近又會(huì )形成高溫冕。然而，冕在黑洞附近如何運動(dòng)一直是致密天體研究中的一個(gè)未解之謎。
2018年3月，距地球大約1.13萬(wàn)光年處的黑洞X射線(xiàn)雙星MAXIJ1820+070發(fā)生爆發(fā)，而且在相當長(cháng)一段時(shí)間里是天空中最亮的X射線(xiàn)源之一，“慧眼”衛星隨即對這個(gè)天體的爆發(fā)進(jìn)行高頻次觀(guān)測。
2020年，中科院高能所領(lǐng)銜研究團隊通過(guò)分析“慧眼”衛星的時(shí)變數據，在MAXIJ1820+070中發(fā)現迄今為止能量最高的低頻準周期振蕩(QPO)信號，提供出從黑洞視界附近向外發(fā)出相對論噴流(向外高速運動(dòng)的等離子體流)的觀(guān)測證據。
近期，武漢大學(xué)天體物理中心領(lǐng)銜研究團隊通過(guò)分析“慧眼”衛星的能譜數據發(fā)現，當X射線(xiàn)輻射強度逐漸減小，亦即冕逐漸衰弱時(shí)，其對吸積盤(pán)的照射程度(即從冕出射的光子，照射到吸積盤(pán)和無(wú)窮遠處的流量比值)也在減弱。研究團隊指出，從冕中出射的X射線(xiàn)光子對吸積盤(pán)的照射強弱，依賴(lài)冕的運動(dòng)速度以及黑洞的引力場(chǎng)。
最新“冕王”研究確認
能逃脫黑洞引力的冕，當然堪稱(chēng)“冕王”，研究確認其“加冕”頗受關(guān)注。
研究團隊指出，冕在黑洞吸積過(guò)程中如何運動(dòng)尚不明確，以往的研究比較側重于理論，觀(guān)測證據相對較少。理論上，當冕以相對論速度向外運動(dòng)時(shí)，相對論性集束效應會(huì )削弱冕對吸積盤(pán)的照射。
該團隊對同時(shí)期MAXIJ1820+070的X射線(xiàn)時(shí)變分析顯示，當X射線(xiàn)輻射流強逐漸下降時(shí)，冕的幾何尺度趨向黑洞收縮(即尺度在減小)；而越靠近黑洞，引力彎曲效應越強，吸積盤(pán)相對于冕的張角越大，冕輻射出的X射線(xiàn)光子本應有更大比例照射到吸積盤(pán)上，增強冕對吸積盤(pán)的照射。
這和研究團隊對“慧眼”觀(guān)測數據的分析結果相反，究竟是為什么？研究團隊認為，目前這一現象最合理的解釋是：冕在收縮的同時(shí)，冕中的等離子體流正在以相對論速度向外運動(dòng)。這為“慧眼”團隊已經(jīng)發(fā)現的離黑洞很近的相對論噴流提供了獨立的觀(guān)測證據和物理解釋。進(jìn)一步研究發(fā)現，冕尺度越小，速度越大，因此冕物質(zhì)運動(dòng)的相對論性集束效應抑制了黑洞的引力彎曲效應。
研究團隊表示，此次“冕王”發(fā)現和確認的重要成果，第一次系統描繪出黑洞X射線(xiàn)雙星在爆發(fā)過(guò)程中，等離子體流逃離黑洞引力場(chǎng)的速度演化，對于理解黑洞吸積過(guò)程和相對論效應意義重大。
“慧眼”衛星展示綜合優(yōu)勢這次最新的“冕”研究成果，是“慧眼”衛星通過(guò)其時(shí)變數據，在MAXIJ1820+070的黑洞視界附近發(fā)現以相對論速度向外運動(dòng)的等離子體流及其進(jìn)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)，利用“慧眼”衛星能譜數據，也發(fā)現以相對論速度向外運動(dòng)的等離子體流及其速度的演化。研究團隊稱(chēng)，這兩項相互印證的研究成果，展示出“慧眼”衛星進(jìn)行寬能段時(shí)變和能譜研究的綜合優(yōu)勢。
據了解，“慧眼”硬X射線(xiàn)調制望遠鏡(HardX-rayModulationTelescope，英文簡(jiǎn)稱(chēng)HXMT)衛星是中國第一顆空間天文衛星(也稱(chēng)空間天文望遠鏡、空間天文臺)，它既可以實(shí)現寬波段、大視場(chǎng)X射線(xiàn)巡天，又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時(shí)標光變和寬波段能譜，同時(shí)還是具有高靈敏度的伽馬射線(xiàn)暴全天監視儀。
作為中國首臺空間X射線(xiàn)望遠鏡，“慧眼”衛星于2011年正式進(jìn)入工程研制階段，2017年6月中旬發(fā)射成功，開(kāi)展科學(xué)觀(guān)測。其攜帶高、中、低能三臺X射線(xiàn)望遠鏡，主要科學(xué)目標包括：搜尋銀盤(pán)面上的新的暫現源，監測已知的變源；觀(guān)測X射線(xiàn)雙星以研究強引力場(chǎng)或強磁場(chǎng)中的運動(dòng)和輻射機制；監測研究伽馬射線(xiàn)暴和引力波電磁對應體。
“慧眼”衛星項目由中科院高能所提出并牽頭負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學(xué)研究工作，它的成功發(fā)射和運行，使中國在國際競爭激烈的高能天體物理觀(guān)測領(lǐng)域占有重要一席之地。
