天文學家繪制了 新髮現黑洞的「光回波」圖

天文學家繪制了 新髮現黑洞的「光回波」圖

馬里蘭大學的一個天文學家團隊，繪制了一個相對較小的「恒星質量」黑洞周圍的環境圖。這個黑洞的質量是太陽的10倍。這些觀測提供了迄今為止關於這些小黑洞如何消耗物質和釋放能量的最清晰的圖像。

利用美國國家航空太空局(NASA)在國際空間站上搭載的中子星內部成分探測器(更好的)有效載荷，研究小組探測到最近發現的名為MAXI J1820+070(簡稱J1820)的黑洞發出的x射線，因為它消耗了來自伴星的物質。x射線波形成了「光回波」，反射了黑洞附近旋轉的氣體，揭示了環境的大小和形狀的變化。研究人員說，以前，這些來自吸積盤內部的光反射只能在超大質量黑洞中看到，這些黑洞的太陽質量在數百萬到數十億倍之間，變化緩慢。像J1820這樣的恒星黑洞質量更低，演化速度更快，所以我們可以看到在人類時間尺度上的變化。

J1820距離地球約1萬光年，位於獅子座方向。這顆黑洞的伴星是由歐洲太空局(ESA)蓋亞任務(Gaia mission)的一項調查確定的，該任務允許研究人員估算其與地球的距離。直到2018年3月11日，日本航空太空局(japan Aerospace and Exploration Agency)的全天x射線圖像(All-sky X-ray Image, MAXI)也在空間站上發現了黑洞的爆發，天文學家才意識到它的存在。短短幾天，J1820就從一個完全未知的黑洞變成了x射線天空中最明亮的光源之一。better迅速採取行動捕捉到這一戲劇性的轉變，並繼續跟隨火山噴發逐漸消退的尾巴。

美國NASA戈達德天體物理學家阿爾祖馬尼安說:「貝茲望遠鏡設計得足夠靈敏，能夠研究被稱為中子星的微弱而密度極高的物體。」「我們很高興它在研究這些非常明亮的x射線恒星質量黑洞中也被證明是有用的。」黑洞可以將附近伴星的氣體虹吸到一個叫做吸積盤的物質環中。引力和磁力將圓盤加熱到數百萬攝氏度，使其足夠熱，足以在靠近黑洞的圓盤內部產生x射線。當圓盤上的不穩定導致大量氣體突然湧向黑洞，就像氣體雪崩一樣，爆發就發生了。天文學家還不知道這些圓盤不穩定的原因。圓盤上方是日冕，這是一個亞原子粒子加熱到10億攝氏度的區域，在高能x射線中發光。關於黑洞日冕的起源和演化還有許多未解之謎。一些理論認為，這種結構可能代表這類系統經常發射的高速粒子噴流的早期形式。

天體物理學家想要更好地理解黑洞吸積盤的內邊緣——以及上面的日冕——在黑洞消耗伴星的物質時是如何改變大小和形狀的。如果科學家們能夠理解這些變化是如何以及為什麼會在數周內發生在恒星質量的黑洞中，他們就能獲得關於超大質量黑洞如何在數百萬年里演化以及它們如何影響所處星系的新見解。

繪制這種變化的一種方法叫做x射線混響映射，它使用x射線反射，就像聲納使用聲波繪制海底地形一樣。一些來自日冕的x射線直接射向我們，而另一些則照亮了圓盤，以不同的能量和角度反射回來。

超大質量黑洞的x射線混響映射顯示，吸積盤的內邊緣非常接近黑洞的視界——即物質或能量都無法逃逸的那一點。日冕也是致密的，它位於黑洞附近，而不是吸積盤的大部分。此前對恒星質量黑洞x射線回波的觀測表明，吸積盤的內邊緣可能相當遙遠，其大小可達視界的數百倍。然而，J1820表現得更像它的超級大表兄弟。

當他們檢查了better對J1820年的觀測結果後，Kara的團隊發現，從最初直接從日冕發出的x射線耀斑到從日冕發出的耀斑回波之間的延遲，或者說延遲時間有所縮短。這表明x射線在被反射之前的傳播距離越來越短。研究人員可能，在1萬光年之外，日冕垂直收縮的距離約為100英里到10英里。從這個角度看，這就像從地球和冥王星之間的距離看一個藍莓大小的東西縮小到罌粟種子大小。研究人員說，「這是第一次看到這樣的證據，證明日冕在爆發演化的特定階段收縮，」「日冕仍然非常神秘，我們仍然對它有一個松散的理解。但我們現在有證據表明，系統中正在進化的東西是日冕本身的結構。

為了證實延遲時間的減少是由於日冕的變化而不是吸積盤的變化，研究人員使用了一種叫做鐵K線的信號，這種信號是日冕中的x射線與盤中的鐵原子碰撞產生熒光時產生的。根據愛因斯坦的相對論，時間在強引力場和高速下運行較慢。當離黑洞最近的鐵原子受到日冕核心發出的光的轟擊時，它們發出的x射線的波長就會被拉長，因為它們的時間移動速度比觀察者慢。

Kara的團隊發現J1820拉伸的鐵K線保持不變，這意味著圓盤的內邊緣仍然靠近黑洞——類似於超大質量黑洞。如果延遲時間的減少是由於磁盤的內邊緣進一步向內移動造成的，那麼鐵K線就會變得更加拉伸。這些觀測讓科學家們對物質如何進入黑洞以及能量如何在這個過程中釋放有了新的見解。