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慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流
2020-09-22|文章来源:粒子天体中心 |【
 

[video:慧眼衛星觀測到距離黑洞最近的噴流動畫--配音版]

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    921日,國際著名期刊《Nature Astronomy》(自然·天文學)在線發表了慧眼(HXMT)衛星最新觀測結果:在高于200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻准周期振蕩(quasi-periodic oscillationQPO),這是迄今爲止發現的能量最高的低頻QPO現象。研究表明,其起源于黑洞視界附近的相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)的進動,爲解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據。 

  該研究工作由中科院信发在线、英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中科院上海天文台等單位的研究人員共同完成。 

  低頻QPO發現于上世紀80年代,是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象,表現爲光變曲線上出現類似周期性但是並非精確周期性的調制。30多年来,低頻QPO的起源一直是致密天体研究的一个未解难题。目前,存在两类最为流行的模型解释低頻QPO現象,即物質在旋轉落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩定性導致X射線輻射産生振蕩,或者靠近黑洞的冕狀X射線輻射區的進動或振蕩導致X射線輻射産生准周期調制。但在慧眼衛星之前,X射線衛星只具有在30 keV以下的能区研究低頻QPO的能力,很難區分這些模型。慧眼衛星的有效能段爲1-250 keV,並且在30 keV以上具有最大的有效面積,科學家們期待慧眼在一些黑洞中探測到30 keV以上的低頻QPO現象,從而對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。 

  2018311日,黑洞X射線雙星(由一個幾倍太陽質量的黑洞和一個恒星組成的雙星系統)MAXI  J1820+070發生爆發,在相當長一段時間裏是天空中最亮的X射線源之一。慧眼衛星快速反應,對這一重要天體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。基于這些觀測數據,研究團隊發現MAXI J1820+070在很宽的能段范围内都存在低頻QPO現象,最高能量超過200 keV,比慧眼衛星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個數量級,說明該QPO並不來自吸積盤的熱輻射區域;進一步的研究還表明,QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變,且能量較低的QPO晚于能量較高的QPO产生,这些都和已有的流行模型严重冲突。因此研究团队提出,该低頻QPO應該産生于黑洞視界附近噴流的進動,很可能是黑洞自轉産生的廣義相對論的參考系拖曳效應産生的。 

  噴流是運動速度接近光速的高速物質流,以前在射電、可見光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統以及中心是超大質量黑洞(質量是百萬到百億倍太陽質量)的遙遠類星體中都觀測到過,是黑洞系統的一種主要觀測特征,也是黑洞系統在吞噬周圍物質的過程中對周圍環境産生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞都非常遠(通常位于黑洞視界半徑百萬倍以上的距離,而在這樣的距離處黑洞的引力實際上已經不起作用了),因此並不清楚這些噴流到底起源于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。慧眼衛星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公裏(幾倍黑洞視界半徑)的區域,這是迄今爲止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流,對于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。 

  慧眼衛星關于MAXI J1820+070中低頻QPO現象的研究成果顯示了其研究天體高能X射线快速光变的强大能力。未来慧眼卫星有望发现更多的高能低頻QPO现象,全面加深人们对于低頻QPO現象的理解。 

  慧眼衛星是我國第一顆空間X射线天文卫星,信发在线是慧眼卫星项目提出单位,并牵头负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作,航天五院负责卫星系统的工作并承担卫星平台研制,参加慧眼卫星工程的还有清华大学、中國科學院国家空间科学中心、北京师范大学等单位。 

      相關鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2 

 

  低頻QPO起源于围绕黑洞进动的高速喷流

 

  慧眼卫星首次探测到了能量在200keV以上的低頻QPO

 

  慧眼衛星發現了離黑洞最近的噴流産生的准周期調制信號


 
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