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天體物理中心課題組利用慧眼衛星發現逃離黑洞的高速等離子體

發布時間:2021-02-23   作者:物軒   來源:武大新聞網   訪問次數:


215日,Nature Communications(《自然?通訊》)在線發表了慧眼(The Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT)衛星的最新科研成果:通過分析慧眼衛星觀測數據,發現了黑洞雙星中逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流(以下簡稱冕),并且首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化。研究表明,冕趨向黑洞收縮的同時,也以相對論速度向外運動,而且冕的尺度越小,速度越大。這項成果為研究冕在黑洞吸積過程中的運動提供了重要依據。

該論文題為“Insight-HXMT observations of jet-like corona in a black hole X-ray binary MAXI J1820+070”(《慧眼衛星在黑洞X射線雙星MAXI J1820+070中發現了向外運動的冕》),由武漢大學、中國科學院高能物理研究所(以下簡稱高能所)、國家天文臺、南京大學、清華大學等研究人員共同完成。武漢大學是第一單位,武漢大學天體物理中心游貝研究員是第一作者,武漢大學物理科學與技術學院王偉教授和高能所張雙南研究員是共同通訊作者?;垩坌l星是中國第一顆X射線天文臺,該成果是武漢大學對慧眼科學成果的重要貢獻。

早在上世紀60年代,天文學家就在銀河系中探測到了X射線輻射源。在這些X射線源中,天鵝座X-1(Cygnus X-1)是第一個被認為存在黑洞的雙星系統。隨著天文學的發展,在銀河系中發現的黑洞X射線雙星系統越來越多。目前普遍認為,在黑洞X射線雙星中,伴星物質被黑洞引力捕獲,旋轉著逐漸向黑洞運動,形成吸積盤結構,而在吸積盤內區附近又會形成高溫冕。然而,冕在黑洞附近如何運動一直是致密天體研究中的一個未解之謎。

20183月,距我們大約11300光年處的黑洞X射線雙星MAXIJ1820+070發生爆發,而且在相當長一段時間里是天空中最亮的X射線源之一?;垩坌l星對這個天體的爆發進行了高頻次的觀測。2020年,通過分析慧眼衛星的時變數據,由高能所領銜的研究團隊在MAXIJ1820+070中發現了迄今為止能量最高的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation,QPO)信號,提供了從黑洞視界附近向外發出相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)的觀測證據。近期,通過分析慧眼衛星的能譜數據,由武漢大學天體物理中心領銜的研究團隊發現,當X射線輻射強度逐漸減小,亦即冕逐漸衰弱時,其對吸積盤的照射程度(即,從冕出射的光子,照射到吸積盤和無窮遠處的流量比值)也在減弱。研究團隊指出,從冕中出射的X射線光子對吸積盤的照射強弱,依賴冕的運動速度以及黑洞的引力場。

冕在黑洞吸積過程中如何運動尚不明確。以往的研究比較側重于理論,觀測證據相對較少。理論上,當冕以相對論速度向外運動時,相對論性集束效應(relativistic beaming effect)會削弱冕對吸積盤的照射。對同時期MAXIJ1820+070X射線時變分析顯示,當X射線輻射流強逐漸下降時,冕的幾何尺度趨向黑洞收縮(即尺度在減?。?。而越靠近黑洞,引力彎曲效應越強,吸積盤相對于冕的張角越大,冕輻射出的X射線光子本應有更大比例照射到吸積盤上,增強冕對吸積盤的照射,而這和研究團隊對慧眼觀測數據的分析結果相反。研究團隊指出,目前這一現象最合理的解釋是冕在收縮的同時,冕中的等離子體流正在以相對論速度向外運動,這為慧眼團隊已經發現的離黑洞很近的相對論噴流提供了獨立的觀測證據和物理解釋。研究團隊進一步發現,冕尺度越小,速度越大,因此冕物質運動的相對論性集束效應抑制了黑洞的引力彎曲效應。此研究成果第一次系統地描繪了黑洞X射線雙星在爆發過程中,等離子體流逃離黑洞引力場的速度演化,對于理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。

慧眼衛星通過其時變數據,在MAXIJ1820+070的黑洞視界附近發現了以相對論速度向外運動的等離子體流,及其進動過程;而利用其能譜數據,也發現了以相對論速度向外運動的等離子體流,及其速度的演化。這兩項相互印證的研究成果,展示了慧眼衛星進行寬能段時變和能譜研究的綜合優勢。

http://news.whu.edu.cn/__local/E/25/B4/05765A302CD1C775212536846C4_F4EF2E7F_C78B.png

熱冕對吸積盤照射強度的演化

http://news.whu.edu.cn/__local/F/48/0E/FF5420978CA52DF68749B5619FE_61089FC3_C28C.png

慧眼衛星首次探測到了冕的動力學演化

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21169-5

(編輯:付曉歌)

 

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