中国的慧眼卫星，发现了黑洞的“秘密”
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：原原，原文标题：《中国慧眼：>200千电子伏特！》，题图来自：《星际穿越》剧照截图
一
在宇宙中，当一颗大质量恒星死亡时，恒星最终可能会坍缩成一个黑洞。如果这个黑洞不是孤单地游荡在空间之中，而是有一个恒星陪伴，那么这颗伴星的物质将被黑洞强大的引力所无情地“掠夺”。这样的一个系统，被称为X射线双星系统：
X射线双星。| 图片来源：ESO/L. Calçada
被黑洞引力吸引的物质，会围绕黑洞旋转形成温度非常高的吸积盘，而且还可能产生运动速度接近光速的物质流，即喷流。炽热的吸积盘和喷流会辐射出强烈的X射线，使天文学家能够详细地研究系统的细节。特别是，在X射线亮度中经常会观测到准周期振荡（quasi-periodic oscillation，QPO），这是指释放出的X射线强度会以一定频率闪烁的现象。
QPO通常被划分为两类：低频QPO，其频率低于30赫兹；高频QPO，其频率介于40赫兹~450赫兹。它们可能与不同的物理过程有关。
二
上个世纪80年代，天文学家首次发现低频QPO现象，它被认为起源于吸积流的内部。但30多年来，它产生的确切物理机制依然没有被很好的理解。
目前，解释低频QPO现象最流行的模型包括：
吸积盘的不稳定性：物质在旋转落向黑洞的过程中形成的吸积盘上的不稳定性导致X射线辐射产生振荡；
几何效应：靠近黑洞的冕状X射线辐射区的进动或振荡导致X射线辐射产生准周期调制。
过去，X射线天文卫星只具有在30千电子伏特（keV）以下的能区研究低频QPO的能力，这就使天文学家难以判断辐射是来自于高温气体的热辐射，还是高能粒子的非热辐射，并进而确认其准确的产生区域。
但我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼（HXMT）的出现改变了这一状况。慧眼卫星的有效能段为1keV~250keV，并且在30keV以上具有最大的有效面积，科学家们期待慧眼在一些黑洞中探测到30keV以上的低频QPO现象，从而对相关理论模型进行更加严格的检验。
9月21日，《自然·天文学》在线发表了慧眼卫星最新观测结果：在高于200keV以上的能段发现了黑洞双星系统的低频QPO，这是迄今为止发现的能量最高的低频QPO现象。
三
时间回到2018年3月11日，当时日本安装在国际空间站上的全天X射线图像监视器（MAXI）发现了一个新的黑洞X射线双星的爆发，该双星被称为MAXI J1820+070，在相当长一段时间里是天空中最亮的X射线源之一。在MAXI之后，慧眼卫星迅速做出反应，在几个月的时间内对这次爆发进行了超过140次的监测，积累了海量的观测数据。
慧眼卫星首次探测到了能量在200keV以上的低频QPO。| 图片来源：[1]
基于这些观测数据，研究团队发现MAXI J1820+070在很宽的能段范围内都存在低频QPO现象（如上图），最高能量超过200 keV，比慧眼卫星之前的QPO能量上限几乎提高了一个数量级，这说明该QPO并不来自吸积盘的热辐射区域。
进一步的研究还表明，QPO的频率和变化幅度都不随能量改变，且能量较低的QPO晚于能量较高的QPO产生，这些都和已有的流行模型严重冲突。
那么，此次观测到的低频QPO可能来自于哪里？
爱因斯坦于1915年发表的广义相对论告诉我们，引力是由弯曲的时空造成的。基于广义相对论，兰斯和蒂林（Lense & Thirring）在1918年提出，一个旋转的大质量物体会”拖曳“它所在的时空。因此，黑洞的自转也会对黑洞周围的空间产生拖曳效应，这就导致了黑洞视界附近的喷流发生进动。研究人员认为，观测到的低频QPO很可能起源于围绕黑洞的喷流的进动。
喷流进动模型的示意图。低频QPO起源于围绕黑洞进动的高速喷流。| 图片来源：[1]
过去，天文学家在射电、可见光和X射线波段，从很多黑洞X射线双星系统，以及遥远类星体中心的超大质量黑洞（质量是百万到百亿倍太阳质量）中，都观测到过高速运动的喷流。
然而，这些喷流距离黑洞都非常远，通常位于距离黑洞百万倍视界半径以外。而在如此远的距离下，黑洞的引力已经无法发挥显著的作用，因此天文学家并不清楚这些喷流到底起源于距离黑洞多远的位置，以及是如何从黑洞的强引力场中逃出并且被加速到接近光速的。
但这一次，慧眼卫星的观测将喷流的源头定位到距离黑洞上百公里（几倍黑洞视界半径）的区域，这是迄今为止观测到的距离黑洞最近的相对论喷流！
此次的观测，为解决一直以来存在争议的低频QPO物理起源问题提供了重要依据，对于研究黑洞附近的广义相对论效应、物质动力学过程和辐射机制等也都具有重大意义。
慧眼卫星关于MAXI J1820+070中低频QPO现象的研究成果，显示了其研究天体高能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频QPO现象，全面加深人们对于低频QPO现象的理解。
参考文献：
[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：原原
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