本文來自微信公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），作者：原原，原文標(biāo)題：《中國慧眼：>200千電子伏特！》，題圖來自：《星際穿越》劇照截圖

一

在宇宙中，當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星死亡時(shí)，恒星最終可能會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。如果這個(gè)黑洞不是孤單地游蕩在空間之中，而是有一個(gè)恒星陪伴，那么這顆伴星的物質(zhì)將被黑洞強(qiáng)大的引力所無情地“掠奪”。這樣的一個(gè)系統(tǒng)，被稱為X射線雙星系統(tǒng)：

 X射線雙星。| 圖片來源：ESO/L. Cal?ada

被黑洞引力吸引的物質(zhì)，會(huì)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)形成溫度非常高的吸積盤，而且還可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度接近光速的物質(zhì)流，即噴流。熾熱的吸積盤和噴流會(huì)輻射出強(qiáng)烈的X射線，使天文學(xué)家能夠詳細(xì)地研究系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。特別是，在X射線亮度中經(jīng)常會(huì)觀測到準(zhǔn)周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是指釋放出的X射線強(qiáng)度會(huì)以一定頻率閃爍的現(xiàn)象。

QPO通常被劃分為兩類：低頻QPO，其頻率低于30赫茲；高頻QPO，其頻率介于40赫茲~450赫茲。它們可能與不同的物理過程有關(guān)。

二

上個(gè)世紀(jì)80年代，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)低頻QPO現(xiàn)象，它被認(rèn)為起源于吸積流的內(nèi)部。但30多年來，它產(chǎn)生的確切物理機(jī)制依然沒有被很好的理解。

目前，解釋低頻QPO現(xiàn)象最流行的模型包括：

• 吸積盤的不穩(wěn)定性：物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩(wěn)定性導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生振蕩；

• 幾何效應(yīng)：靠近黑洞的冕狀X射線輻射區(qū)的進(jìn)動(dòng)或振蕩導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生準(zhǔn)周期調(diào)制。

過去，X射線天文衛(wèi)星只具有在30千電子伏特（keV）以下的能區(qū)研究低頻QPO的能力，這就使天文學(xué)家難以判斷輻射是來自于高溫氣體的熱輻射，還是高能粒子的非熱輻射，并進(jìn)而確認(rèn)其準(zhǔn)確的產(chǎn)生區(qū)域。

但我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——慧眼（HXMT）的出現(xiàn)改變了這一狀況?；垩坌l(wèi)星的有效能段為1keV~250keV，并且在30keV以上具有最大的有效面積，科學(xué)家們期待慧眼在一些黑洞中探測到30keV以上的低頻QPO現(xiàn)象，從而對(duì)相關(guān)理論模型進(jìn)行更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

9月21日，《自然·天文學(xué)》在線發(fā)表了慧眼衛(wèi)星最新觀測結(jié)果：在高于200keV以上的能段發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星系統(tǒng)的低頻QPO，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量最高的低頻QPO現(xiàn)象。

三

時(shí)間回到2018年3月11日，當(dāng)時(shí)日本安裝在國際空間站上的全天X射線圖像監(jiān)視器（MAXI）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的黑洞X射線雙星的爆發(fā)，該雙星被稱為MAXI J1820+070，在相當(dāng)長一段時(shí)間里是天空中最亮的X射線源之一。在MAXI之后，慧眼衛(wèi)星迅速做出反應(yīng)，在幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)對(duì)這次爆發(fā)進(jìn)行了超過140次的監(jiān)測，積累了海量的觀測數(shù)據(jù)。

慧眼衛(wèi)星首次探測到了能量在200keV以上的低頻QPO。| 圖片來源：[1]

基于這些觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MAXI J1820+070在很寬的能段范圍內(nèi)都存在低頻QPO現(xiàn)象（如上圖），最高能量超過200 keV，比慧眼衛(wèi)星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說明該QPO并不來自吸積盤的熱輻射區(qū)域。

進(jìn)一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚于能量較高的QPO產(chǎn)生，這些都和已有的流行模型嚴(yán)重沖突。

那么，此次觀測到的低頻QPO可能來自于哪里？

愛因斯坦于1915年發(fā)表的廣義相對(duì)論告訴我們，引力是由彎曲的時(shí)空造成的?；趶V義相對(duì)論，蘭斯和蒂林（Lense & Thirring）在1918年提出，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量物體會(huì)”拖曳“它所在的時(shí)空。因此，黑洞的自轉(zhuǎn)也會(huì)對(duì)黑洞周圍的空間產(chǎn)生拖曳效應(yīng)，這就導(dǎo)致了黑洞視界附近的噴流發(fā)生進(jìn)動(dòng)。研究人員認(rèn)為，觀測到的低頻QPO很可能起源于圍繞黑洞的噴流的進(jìn)動(dòng)。

噴流進(jìn)動(dòng)模型的示意圖。低頻QPO起源于圍繞黑洞進(jìn)動(dòng)的高速噴流。| 圖片來源：[1]

過去，天文學(xué)家在射電、可見光和X射線波段，從很多黑洞X射線雙星系統(tǒng)，以及遙遠(yuǎn)類星體中心的超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量是百萬到百億倍太陽質(zhì)量）中，都觀測到過高速運(yùn)動(dòng)的噴流。

然而，這些噴流距離黑洞都非常遠(yuǎn)，通常位于距離黑洞百萬倍視界半徑以外。而在如此遠(yuǎn)的距離下，黑洞的引力已經(jīng)無法發(fā)揮顯著的作用，因此天文學(xué)家并不清楚這些噴流到底起源于距離黑洞多遠(yuǎn)的位置，以及是如何從黑洞的強(qiáng)引力場中逃出并且被加速到接近光速的。

但這一次，慧眼衛(wèi)星的觀測將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里（幾倍黑洞視界半徑）的區(qū)域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對(duì)論噴流！

此次的觀測，為解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據(jù)，對(duì)于研究黑洞附近的廣義相對(duì)論效應(yīng)、物質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程和輻射機(jī)制等也都具有重大意義。

慧眼衛(wèi)星關(guān)于MAXI J1820+070中低頻QPO現(xiàn)象的研究成果，顯示了其研究天體高能X射線快速光變的強(qiáng)大能力。未來，慧眼衛(wèi)星有望發(fā)現(xiàn)更多的高能低頻QPO現(xiàn)象，全面加深人們對(duì)于低頻QPO現(xiàn)象的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2