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天体物理中心课题组利用慧眼卫星发现逃离黑洞的高速等离子体
发布时间:2021-02-15 21:07  作者:  来源:物理科学与技术学院  阅读:

新闻网讯(通讯员物轩)2月15日,Nature Communications(《自然?通讯》)在线发表了慧眼(The Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT)卫星的最新科研成果:通过分析慧眼卫星观测数据,发现了黑洞双星中逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流(以下简称冕),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,也以相对论速度向外运动,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。

该论文题为“Insight-HXMT observations of jet-like corona in a black hole X-ray binary MAXI J1820+070”(《慧眼卫星在黑洞X射线双星MAXI J1820+070中发现了向外运动的冕》),由外围买球app、中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)、国家天文台、南京大学、清华大学等研究人员共同完成。外围买球app是第一单位,外围买球app天体物理中心游贝研究员是第一作者,外围买球app物理科学与技术学院王伟教授和高能所张双南研究员是共同通讯作者。慧眼卫星是中国第一颗X射线天文台,该成果是外围买球app对慧眼科学成果的重要贡献。

早在上世纪60年代,天文学家就在银河系中探测到了X射线辐射源。在这些X射线源中,天鹅座X-1(Cygnus 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,在银河系中发现的黑洞X射线双星系统越来越多。目前普遍认为,在黑洞X射线双星中,伴星物质被黑洞引力捕获,旋转着逐渐向黑洞运动,形成吸积盘结构,而在吸积盘内区附近又会形成高温冕。然而,冕在黑洞附近如何运动一直是致密天体研究中的一个未解之谜。

2018年3月,距我们大约11300光年处的黑洞X射线双星MAXIJ1820+070发生爆发,而且在相当长一段时间里是天空中最亮的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,由高能所领衔的研究团队在MAXIJ1820+070中发现了迄今为止能量最高的低频准周期振荡(quasi-periodic oscillation,QPO)信号,提供了从黑洞视界附近向外发出相对论喷流(向外高速运动的等离子体流)的观测证据。近期,通过分析慧眼卫星的能谱数据,由外围买球app天体物理中心领衔的研究团队发现,当X射线辐射强度逐渐减小,亦即冕逐渐衰弱时,其对吸积盘的照射程度(即,从冕出射的光子,照射到吸积盘和无穷远处的流量比值)也在减弱。研究团队指出,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。

冕在黑洞吸积过程中如何运动尚不明确。以往的研究比较侧重于理论,观测证据相对较少。理论上,当冕以相对论速度向外运动时,相对论性集束效应(relativistic beaming effect)会削弱冕对吸积盘的照射。对同时期MAXIJ1820+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(即尺度在减小)。而越靠近黑洞,引力弯曲效应越强,吸积盘相对于冕的张角越大,冕辐射出的X射线光子本应有更大比例照射到吸积盘上,增强冕对吸积盘的照射,而这和研究团队对慧眼观测数据的分析结果相反。研究团队指出,目前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相对论速度向外运动,这为慧眼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。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MAXIJ1820+070的黑洞视界附近发现了以相对论速度向外运动的等离子体流,及其进动过程;而利用其能谱数据,也发现了以相对论速度向外运动的等离子体流,及其速度的演化。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。

热冕对吸积盘照射强度的演化

慧眼卫星首次探测到了冕的动力学演化

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21169-5

(编辑:付晓歌)

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