中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流,是怎麼發現的?

當地時間2020年9月21日,我國慧眼衛星(HXMT)團隊在國際頂級學術期刊《自然》(nature)的旗下的天文學專刊《自然天文學》(nature astronomy)上線上發表了名為《硬X射線調製望遠鏡在一個黑洞X射線雙星裡發現200?keV以上能量振盪》(Discovery of oscillations above 200?keV in a black hole X-ray binary with Insight-HXMT)的論文,公佈了我國慧眼衛星HXMT(Hard X-ray Modulation Telescope硬X射線調製望遠鏡)對X射線雙星MAXI J1820+070的觀測資料,觀測結果表明,黑洞在200?keV以上異常高的能段下依然存在低頻準週期振盪(Low-frequency quasiperiodic oscillations)。

中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流,是怎麼發現的?

下面我們來簡單解讀一下這次的發現是怎麼回事,我保證下文不會再有整串的英文了……

在開始前我們先說說慧眼衛星是幹嘛的。慧眼衛星的英文全稱是硬X射線調製望遠鏡,是我國發射的首顆天文觀測衛星,2017年6月15日由長征四號乙運載火箭成功發射並隨即展開天文觀測。它是目前世界上最靈敏的硬X射線望遠鏡,其探測範圍覆蓋從1keV-3MeV的能量範圍。

中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流,是怎麼發現的?

2017年8月,在升空兩個月後,慧眼衛星即與全球多家天文臺一起對新發現的GW170817引力波訊號中的雙中子星合併事件的電磁對應體進行電磁波段的聯合觀測,雖然最終什麼都沒發現,但沒發現不等於沒貢獻,慧眼的“什麼都沒發現對雙中子星合併中高能區(MeV,百萬電子伏特以上能量區域)的電磁輻射性質做出了嚴格的限制,這對雙中子星合併電磁輻射模型的建立意義重大。

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回到本次黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的觀測,(這天體編號……沒法翻譯,對不住大家了_(:D)∠)_),中科院高能所的“慧眼”團隊,檢測到該X射線源在很寬的能量範圍內存在低頻準週期振盪,下圖為慧眼在1keV-250keV能量範圍內的低頻準週期振盪,結果顯示,即使在200keV-250keV的高能段下,該振盪依然存在,並且變化週期和幅度基本不變。

中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流,是怎麼發現的?

在此前,科學家對低頻準週期振盪的形成機制不太確定,大致有兩種猜想,一種是由吸積盤不穩定性導致的,另一種猜想是黑洞周圍時空產生週期性進動產生的。

此次在200keV以上能段檢測到低頻準週期振盪排除了前一種可能,因為理論上黑洞吸積盤透過熱輻射是無法產生這麼高能量的輻射的。能產生如此高的能量輻射只能是黑洞兩極的高速噴流,以接近光速的速度從兩極噴出時,高溫輻射加上相對論性噴流的超高速產生的。

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所以,這次觀測到的能量如此高的低頻準週期振盪應該是由黑洞噴流產生的。在慧眼團隊給出的此次事件的形成機制:由於這個黑洞的自旋軸與噴流存在一定的夾角,根據廣義相對論,黑洞在旋轉時對周圍時空產生拖拽,這稱為參考系拖拽,高速旋轉的時空使黑洞的噴流噴射方向產生強烈的進動,從而導致從兩極近光速噴射而出的黑洞噴流也產生了進動,從而形成了這種振盪。

中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流,是怎麼發現的?

而按照理論,越靠近黑洞的噴流產生的輻射能力越高,慧眼團隊據此計算在如此高的能量下,該噴流為止距離黑洞是非常接近的,估計在數百公里左右,這是迄今看到距離黑洞最近的黑洞噴流了。

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