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天文学家绘制了新发现黑洞的“光回波”图

时间:2019-08-13 来源:出行的那些事

天文学家绘制了新发现黑洞的“光回波”图

马里兰大学的一个天文学家团队,绘制了一个相对较小的“恒星质量”黑洞周围的环境图。这个黑洞的质量是太阳的10倍。这些观测提供了迄今为止关于这些小黑洞如何消耗物质和释放能量的最清晰的图像。

利用美国国家航空航天局(NASA)在

天文学家绘制了新发现黑洞的“光回波”图

国际空间站上搭载的中子星内部成分探测器(更好的)有效载荷,研究小组探测到最近发现的名为MAXI J1820+070(简称J1820)的黑洞发出的x射线,因为它消耗了来自伴星的物质。x射线波形成了“光回波”,反射了黑洞附近旋转的气体,揭示了环境的大小和形状的变化。研究人员说,以前,这些来自吸积盘内部的光反射只能在超大质量黑洞中看到,这些黑洞的太阳质量在数百万到数十亿倍之间,变化缓慢。像J1820这样的恒星黑洞质量更低,演化速度更快,所以我们可以看到在人类时间尺度上的变化。

J1820距离地球约1万光年,位于狮子座方向。这颗黑洞的伴星是由欧洲航天局(ESA)盖亚任务(Gaia mission)的一项调查确定的,该任务允许研究人员估算其与地球的距离。直到2018年3月11日,日本航空航天局(japan Aerospace and Exploration Agency)的全天x射线图像(All-sky X-ray Image, MAXI)也在空间站上发现了黑洞的爆发,天文学家才意识到它的存在。短短几天,J1820就从一个完全未知的黑洞变成了x射线天空中最明亮的光源之一。better迅速采取行动捕捉到这一戏剧性的转变,并继续跟随火山喷发逐渐消退的尾巴。

美国宇航局戈达德天体物理学家阿尔祖马尼安说:“贝兹望远镜设计得足够灵敏,能够研究被称为中子星的微弱而密度极高的物体。”“我们很高兴它在研究这些非常明亮的x射线恒星质量黑洞中也被证明是有用的。”黑洞可以将附近伴星的气体虹吸到一个叫做吸积盘的物质环中。引力和磁力将圆盘加热到数百万摄氏度,使其足够热,足以在靠近黑洞的圆盘内部产生x射线。当圆盘上的不稳定导致大量气体突然涌向黑洞,就像气体雪崩一样,爆发就发生了。天文学家还不知道这些圆盘不稳定的原因。圆盘上方是日冕,这是一个亚原子粒子加热到10亿摄氏度的区域,在高能x射线中发光。关于黑洞日冕的起源和演化还有许多未解之谜。一些理论认为,这种结构可能代表这类系统经常发射的高速粒子喷流的早期形式。

天体物理学家想要更好地理解黑洞吸积盘的内边缘——以及上面的日冕——在黑洞消耗伴星的物质时是如何改变大小和形状的。如果科学家们能够理解这些变化是如何以及为什么会在数周内发生在恒星质量的黑洞中,他们就能获得关于超大质量黑洞如何在数百万年里演化以及它们如何影响所处星系的新见解。

绘制这种变化的一种方法叫做x射线混响映射,它使用x射线反射,就像声纳使用声波绘制海底地形一样。一些来自日冕的x射线直接射向我们,而另一些则照亮了圆盘,以不同的能量和角度反射回来。

超大质量黑洞的x射线混响映射显示,吸积盘的内边缘非常接近黑洞的视界——即物质或能量都无法逃逸的那一点。日冕也是致密的,它位于黑洞附近,而不是吸积盘的大部分。此前对恒星质量黑洞x射线回波的观测表明,吸积盘的内边缘可能相当遥远,其大小可达视界的数百倍。然而,J1820表现得更像它的超级大表兄弟。

当他们检查了better对J1820年的观测结果后,Kara的团队发现,从最初直接从日冕发出的x射线耀斑到从日冕发出的耀斑回波之间的延迟,或者说延迟时间有所缩短。这表明x射线在被反射之前的传播距离越来越短。研究人员估计,在1万光年之外,日冕垂直收缩的距离约为100英里到10英里。从这个角度看,这就像从地球和冥王星之间的距离看一个蓝莓大小的东西缩小到罂粟种子大小。研究人员说,“这是第一次看到这样的证据,证明日冕在爆发演化的特定阶段收缩,”“日冕仍然非常神秘,我们仍然对它有一个松散的理解。但我们现在有证据表明,系统中正在进化的东西是日冕本身的结构。

为了证实延迟时间的减少是由于日冕的变化而不是吸积盘的变化,研究人员使用了一种叫做铁K线的信号,这种信号是日冕中的x射线与盘中的铁原子碰撞产生荧光时产生的。根据爱因斯坦的相对论,时间在强引力场和高速下运行较慢。当离黑洞最近的铁原子受到日冕核心发出的光的轰击时,它们发出的x射线的波长就会被拉长,因为它们的时间移动速度比观察者慢。

Kara的团队发现J1820拉伸的铁K线保持不变,这意味着圆盘的内边缘仍然靠近黑洞——类似于超大质量黑洞。如果延迟时间的减少是由于磁盘的内边缘进一步向内移动造成的,那么铁K线就会变得更加拉伸。这些观测让科学家们对物质如何进入黑洞以及能量如何在这个过程中释放有了新的见解。