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射线|慧眼卫星又有新发现 这个“冕”竟然能逃离黑洞引力场

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慧眼卫星又有新发现 这个“冕”竟然能逃离黑洞引力场
黑洞因为事件视界的存在 ， 很难被我们直接观测到 。 但是 ， 事件视界之外的冕能够产生X射线辐射 ， 被我们观测到 。 这就相当于在天空中 ， 给我们点亮一个信号灯 ， 告诉我们这个地方有黑洞存在 。 所以 ， 在能够探测引力波之前 ， 宇宙中的恒星级黑洞 ， 主要是通过冕的X射线辐射被发现的 。
【射线|慧眼卫星又有新发现 这个“冕”竟然能逃离黑洞引力场】光都无法逃脱、如饕餮般吞噬一切的黑洞 ， 真的会偶尔打个“饱嗝” ， 把吃进去的东西“吐出来”吗？
2月15日 ， 《自然·通讯》在线发表了一项慧眼卫星的最新科研成果：通过分析慧眼卫星的观测数据 ， 来自武汉大学和中国科学院高能物理研究所等单位的研究人员 ， 在黑洞双星中发现通常被称为冕的等离子体流可以逃离黑洞强引力场 ， 向外高速运动；并且首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化 。
研究表明 ， 冕趋向黑洞收缩的同时 ， 也以接近光速向外运动 ， 而且冕的尺度越小 ， 速度越大 。 这项成果为研究冕在黑洞吸积过程中的运动提供了重要依据 ， 并被《自然·通讯》选为当期焦点文章 。
表明黑洞存在的信号灯
黑洞吞噬恒星的过程 ， 通常存在于黑洞X射线双星系统内 ， 即一个黑洞与一颗恒星组成的、主要辐射在X射线波段的双星系统 。 天鹅座X-1是第一个被认为存在黑洞的双星系统 。 随着天文学的发展 ， 科学家在银河系中发现的黑洞X射线双星系统越来越多 。 此次发现能够逃脱黑洞“魔爪”的冕 ， 正是属于一个黑洞X射线双星系统 。
那么黑洞的冕又是什么呢？我们知道 ， 太阳的冕 ， 也就是日冕 ， 指的是在太阳表面的高温等离子体 。 日冕的辐射主要集中在紫外线和X射线波段 。 与太阳周围的日冕类似 ， 在黑洞X射线双星中 ， 在黑洞事件视界之外 ， 也同样存在着高温等离子体 。 因为这些高温等离子体也会产生X射线辐射 ， 所以我们常把黑洞附近的高温等离子体称为冕 。
“依据目前的理论研究和观测数据 ， 科学家基本上认为黑洞附近都存在着这样的高温冕 。 ”上述论文第一作者、武汉大学天体物理学博士游贝说 。
那么 ， 这种高温冕究竟是怎么形成的呢？
对此 ， 游贝表示 ， 黑洞本身虽无光 ， 但在黑洞X射线双星中 ， 大量伴星物质被黑洞的强引力捕获后 ， 会旋转着逐渐向黑洞运动 ， 形成一个发光的盘状结构 ， 也就是通常说的吸积盘 。 吸积盘物质在掉入黑洞之前 ， 释放了黑洞的引力势能 ， 使得自身被加热 。 当被加热物质不能通过物理过程释放能量时 ， 温度便随之增高 。 高温物质最终会被电离 ， 形成高温等离子体 ， 也就是冕 。
黑洞因为事件视界的存在 ， 很难被我们直接观测到 。 但是 ， 事件视界之外的冕能够产生X射线辐射 ， 被我们观测到 。 这就相当于在天空中 ， 给我们点亮一个信号灯 ， 告诉我们这个地方有黑洞存在 。 所以 ， 在能够探测引力波之前 ， 宇宙中的恒星级黑洞 ， 主要是通过冕的X射线辐射被发现的 。
首次发现冕在收缩时速度增加
“然而 ， 冕在黑洞附近是如何运动的 ， 一直是致密天体研究中的一个未解之谜 。 ”游贝说 。
2018年3月 ， 距离我们大约11300光年的黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发 ， 而且在相当长一段时间里 ， 它是天空中最亮的X射线源之一 。 慧眼卫星对这个天体的爆发进行了高频次的观测 。
2020年 ， 通过分析慧眼卫星的时变数据 ， 由中国科学院高能物理研究所领衔的研究团队 ， 在MAXI J1820+070中发现了迄今为止能量最高的低频准周期振荡(QPO)信号 ， 提供了从黑洞视界附近向外发出相对论喷流 ， 也就是向外高速运动的等离子体流的观测证据 。
对于冕在黑洞吸积过程中是如何运动的 ， 以往的研究比较侧重于理论 ， 观测证据相对较少 。 此前理论认为 ， 越靠近黑洞 ， 由于引力弯曲效应和吸积盘相对于冕的张角的缘故 ， 冕辐射出的X射线光子对吸积盘上的照射程度应该越强 。
然而 ， 这一理论与研究团队对慧眼卫星观测数据的分析结果恰恰相反 。 通过分析慧眼卫星的能谱数据 ， 研究人员发现 ， 当冕逐渐衰弱 ， 空间尺度趋向黑洞收缩时 ， 其对吸积盘的照射程度也在减弱 。 研究人员指出 ， 从冕中出射的X射线光子对吸积盘的照射强弱 ， 依赖冕的运动速度以及黑洞的引力场 。
同时 ， 对同时期MAXI J1820+070的X射线时变分析显示 ， 当X射线辐射流强逐渐下降时 ， 冕的几何尺度趋向黑洞收缩 。
研究团队指出 ， 目前对这一现象最合理的解释是：冕在收缩的同时 ， 冕中的等离子体流正在以接近光速向外运动 ， 这为研究团队已经发现的离黑洞很近的相对论喷流提供了独立的观测证据和物理解释 。 “我们的研究成果不仅探测到了冕背离黑洞向外运动 ， 更重要的是 ， 我们首次发现 ， 当冕的空间尺度在收缩时 ， 其运动速度逐渐增加 。 ”游贝说 。
“忽冷忽热”改变了冕的空间延展结构
那么 ， 为什么冕在趋向黑洞收缩的同时 ， 会以接近光速向外运动？
“类似于日冕在空间上有延展结构 ， 黑洞事件视界之外的冕 ， 也有空间分布 ， 即空间尺度 。 黑洞周围的冕 ， 并不会因为黑洞的强引力场而被无限压缩 。 ”游贝说 。
维持冕的空间延展结构的因素有很多 ， 其中之一 ， 便是冕被加热和冷却的物理过程 。 当冕被加热的速率弱于冕被冷却的速率时 ， 冕将逐渐冷却下来 。 “此时 ， 低温的等离子体便不再是冕 ， 也就不能辐射出高能X射线光子 。 因此 ， 当谈到冕在趋向黑洞收缩时 ， 实际上 ， 指的是高温冕的空间尺度在缩小 。 ”游贝强调 ， 当冕被持续冷却时 ， 其尺度便会一直向黑洞收缩 。
同时 ， 冕不仅有空间结构 ， 也可能拥有集体的运动速度 。 冕可以朝向黑洞运动 ， 也能背离黑洞向外运动 。
等离子体运动的方向 ， 取决于其受力情况 。 黑洞引力的吸引 ， 使等离子体向黑洞运动 ， 而辐射场/磁场对冕的作用使得其背离黑洞向外运动 。 这就像是在“拔河” ， 当辐射场/磁场对冕的作用强于黑洞引力场时 ， 冕在到达黑洞事件视界之前 ， 便能够背离黑洞向外运动 。
研究团队进一步发现 ， 冕尺度越小 ， 速度越大 ， 因此冕物质运动的相对论性集束效应抑制了黑洞的引力弯曲效应 。 此研究成果第一次系统地描绘了黑洞X射线双星在爆发过程中 ， 等离子体流逃离黑洞引力场的速度演化 ， 对于理解黑洞吸积过程和相对论效应意义重大 。
慧眼卫星通过其时变数据 ， 在MAXI J1820+070的黑洞视界附近发现了以接近光速向外运动的等离子体流及其进动过程；而利用其能谱数据 ， 研究人员也发现了以接近光速向外运动的等离子体流及其速度的演化 。
对此 ， 论文共同通讯作者、中国科学院高能物理研究所研究员张双南表示 ， 这两项相互印证的研究成果 ， 展示了慧眼卫星进行宽能段时变和能谱研究的综合优势 。
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