黑洞因?yàn)槭录暯绲拇嬖冢茈y被我們直接觀測(cè)到。但是，事件視界之外的冕能夠產(chǎn)生X射線輻射，被我們觀測(cè)到。這就相當(dāng)于在天空中，給我們點(diǎn)亮一個(gè)信號(hào)燈，告訴我們這個(gè)地方有黑洞存在。所以，在能夠探測(cè)引力波之前，宇宙中的恒星級(jí)黑洞，主要是通過(guò)冕的X射線輻射被發(fā)現(xiàn)的。

光都無(wú)法逃脫、如饕餮般吞噬一切的黑洞，真的會(huì)偶爾打個(gè)“飽嗝”，把吃進(jìn)去的東西“吐出來(lái)”嗎?

2月15日，《自然·通訊》在線發(fā)表了一項(xiàng)慧眼衛(wèi)星的最新科研成果：通過(guò)分析慧眼衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)自武漢大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所等單位的研究人員，在黑洞雙星中發(fā)現(xiàn)通常被稱為冕的等離子體流可以逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)，向外高速運(yùn)動(dòng);并且首次在黑洞雙星中觀測(cè)到冕的速度演化。

研究表明，冕趨向黑洞收縮的同時(shí)，也以接近光速向外運(yùn)動(dòng)，而且冕的尺度越小，速度越大。這項(xiàng)成果為研究冕在黑洞吸積過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)提供了重要依據(jù)，并被《自然·通訊》選為當(dāng)期焦點(diǎn)文章。

表明黑洞存在的信號(hào)燈

黑洞吞噬恒星的過(guò)程，通常存在于黑洞X射線雙星系統(tǒng)內(nèi)，即一個(gè)黑洞與一顆恒星組成的、主要輻射在X射線波段的雙星系統(tǒng)。天鵝座X-1是第一個(gè)被認(rèn)為存在黑洞的雙星系統(tǒng)。隨著天文學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)的黑洞X射線雙星系統(tǒng)越來(lái)越多。此次發(fā)現(xiàn)能夠逃脫黑洞“魔爪”的冕，正是屬于一個(gè)黑洞X射線雙星系統(tǒng)。

那么黑洞的冕又是什么呢?我們知道，太陽(yáng)的冕，也就是日冕，指的是在太陽(yáng)表面的高溫等離子體。日冕的輻射主要集中在紫外線和X射線波段。與太陽(yáng)周圍的日冕類似，在黑洞X射線雙星中，在黑洞事件視界之外，也同樣存在著高溫等離子體。因?yàn)檫@些高溫等離子體也會(huì)產(chǎn)生X射線輻射，所以我們常把黑洞附近的高溫等離子體稱為冕。

“依據(jù)目前的理論研究和觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家基本上認(rèn)為黑洞附近都存在著這樣的高溫冕。”上述論文第一作者、武漢大學(xué)天體物理學(xué)博士游貝說(shuō)。

那么，這種高溫冕究竟是怎么形成的呢?

對(duì)此，游貝表示，黑洞本身雖無(wú)光，但在黑洞X射線雙星中，大量伴星物質(zhì)被黑洞的強(qiáng)引力捕獲后，會(huì)旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)發(fā)光的盤狀結(jié)構(gòu)，也就是通常說(shuō)的吸積盤。吸積盤物質(zhì)在掉入黑洞之前，釋放了黑洞的引力勢(shì)能，使得自身被加熱。當(dāng)被加熱物質(zhì)不能通過(guò)物理過(guò)程釋放能量時(shí)，溫度便隨之增高。高溫物質(zhì)最終會(huì)被電離，形成高溫等離子體，也就是冕。

黑洞因?yàn)槭录暯绲拇嬖冢茈y被我們直接觀測(cè)到。但是，事件視界之外的冕能夠產(chǎn)生X射線輻射，被我們觀測(cè)到。這就相當(dāng)于在天空中，給我們點(diǎn)亮一個(gè)信號(hào)燈，告訴我們這個(gè)地方有黑洞存在。所以，在能夠探測(cè)引力波之前，宇宙中的恒星級(jí)黑洞，主要是通過(guò)冕的X射線輻射被發(fā)現(xiàn)的。

首次發(fā)現(xiàn)冕在收縮時(shí)速度增加

“然而，冕在黑洞附近是如何運(yùn)動(dòng)的，一直是致密天體研究中的一個(gè)未解之謎。”游貝說(shuō)。

2018年3月，距離我們大約11300光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)，而且在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，它是天空中最亮的X射線源之一。慧眼衛(wèi)星對(duì)這個(gè)天體的爆發(fā)進(jìn)行了高頻次的觀測(cè)。

2020年，通過(guò)分析慧眼衛(wèi)星的時(shí)變數(shù)據(jù)，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在MAXI J1820+070中發(fā)現(xiàn)了迄今為止能量最高的低頻準(zhǔn)周期振蕩(QPO)信號(hào)，提供了從黑洞視界附近向外發(fā)出相對(duì)論噴流，也就是向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流的觀測(cè)證據(jù)。

對(duì)于冕在黑洞吸積過(guò)程中是如何運(yùn)動(dòng)的，以往的研究比較側(cè)重于理論，觀測(cè)證據(jù)相對(duì)較少。此前理論認(rèn)為，越靠近黑洞，由于引力彎曲效應(yīng)和吸積盤相對(duì)于冕的張角的緣故，冕輻射出的X射線光子對(duì)吸積盤上的照射程度應(yīng)該越強(qiáng)。

然而，這一理論與研究團(tuán)隊(duì)對(duì)慧眼衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果恰恰相反。通過(guò)分析慧眼衛(wèi)星的能譜數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冕逐漸衰弱，空間尺度趨向黑洞收縮時(shí)，其對(duì)吸積盤的照射程度也在減弱。研究人員指出，從冕中出射的X射線光子對(duì)吸積盤的照射強(qiáng)弱，依賴冕的運(yùn)動(dòng)速度以及黑洞的引力場(chǎng)。

同時(shí)，對(duì)同時(shí)期MAXI J1820+070的X射線時(shí)變分析顯示，當(dāng)X射線輻射流強(qiáng)逐漸下降時(shí)，冕的幾何尺度趨向黑洞收縮。

研究團(tuán)隊(duì)指出，目前對(duì)這一現(xiàn)象最合理的解釋是：冕在收縮的同時(shí)，冕中的等離子體流正在以接近光速向外運(yùn)動(dòng)，這為研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的離黑洞很近的相對(duì)論噴流提供了獨(dú)立的觀測(cè)證據(jù)和物理解釋。“我們的研究成果不僅探測(cè)到了冕背離黑洞向外運(yùn)動(dòng)，更重要的是，我們首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冕的空間尺度在收縮時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度逐漸增加。”游貝說(shuō)。

“忽冷忽熱”改變了冕的空間延展結(jié)構(gòu)

那么，為什么冕在趨向黑洞收縮的同時(shí)，會(huì)以接近光速向外運(yùn)動(dòng)?

“類似于日冕在空間上有延展結(jié)構(gòu)，黑洞事件視界之外的冕，也有空間分布，即空間尺度。黑洞周圍的冕，并不會(huì)因?yàn)楹诙吹膹?qiáng)引力場(chǎng)而被無(wú)限壓縮。”游貝說(shuō)。

維持冕的空間延展結(jié)構(gòu)的因素有很多，其中之一，便是冕被加熱和冷卻的物理過(guò)程。當(dāng)冕被加熱的速率弱于冕被冷卻的速率時(shí)，冕將逐漸冷卻下來(lái)。“此時(shí)，低溫的等離子體便不再是冕，也就不能輻射出高能X射線光子。因此，當(dāng)談到冕在趨向黑洞收縮時(shí)，實(shí)際上，指的是高溫冕的空間尺度在縮小。”游貝強(qiáng)調(diào)，當(dāng)冕被持續(xù)冷卻時(shí)，其尺度便會(huì)一直向黑洞收縮。

同時(shí)，冕不僅有空間結(jié)構(gòu)，也可能擁有集體的運(yùn)動(dòng)速度。冕可以朝向黑洞運(yùn)動(dòng)，也能背離黑洞向外運(yùn)動(dòng)。

等離子體運(yùn)動(dòng)的方向，取決于其受力情況。黑洞引力的吸引，使等離子體向黑洞運(yùn)動(dòng)，而輻射場(chǎng)/磁場(chǎng)對(duì)冕的作用使得其背離黑洞向外運(yùn)動(dòng)。這就像是在“拔河”，當(dāng)輻射場(chǎng)/磁場(chǎng)對(duì)冕的作用強(qiáng)于黑洞引力場(chǎng)時(shí)，冕在到達(dá)黑洞事件視界之前，便能夠背離黑洞向外運(yùn)動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，冕尺度越小，速度越大，因此冕物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性集束效應(yīng)抑制了黑洞的引力彎曲效應(yīng)。此研究成果第一次系統(tǒng)地描繪了黑洞X射線雙星在爆發(fā)過(guò)程中，等離子體流逃離黑洞引力場(chǎng)的速度演化，對(duì)于理解黑洞吸積過(guò)程和相對(duì)論效應(yīng)意義重大。

慧眼衛(wèi)星通過(guò)其時(shí)變數(shù)據(jù)，在MAXI J1820+070的黑洞視界附近發(fā)現(xiàn)了以接近光速向外運(yùn)動(dòng)的等離子體流及其進(jìn)動(dòng)過(guò)程;而利用其能譜數(shù)據(jù)，研究人員也發(fā)現(xiàn)了以接近光速向外運(yùn)動(dòng)的等離子體流及其速度的演化。

對(duì)此，論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南表示，這兩項(xiàng)相互印證的研究成果，展示了慧眼衛(wèi)星進(jìn)行寬能段時(shí)變和能譜研究的綜合優(yōu)勢(shì)。(記者 陸成寬)

關(guān)鍵詞： 慧眼衛(wèi)星