慧眼衛星又有新發現 這個"冕"竟然能逃離黑洞引力場
慧眼衛星又有新發現 這個“冕”竟然能逃離黑洞引力場
黑洞因為事件視界的存在，很難被我們直接觀測到。但是，事件視界之外的冕能夠產生X射線輻射，被我們觀測到。這就相當於在天空中，給我們點亮一個信號燈，告訴我們這個地方有黑洞存在。所以，在能夠探測引力波之前，宇宙中的恒星級黑洞，主要是通過冕的X射線輻射被發現的。
光都無法逃脫、如饕餮般吞噬一切的黑洞，真的會偶爾打個“飽嗝”，把吃進去的東西“吐出來”嗎？
2月15日，《自然·通訊》線上發表了一項慧眼衛星的最新科研成果：通過分析慧眼衛星的觀測數據，來自武漢大學和中國科學院高能物理研究所等單位的研究人員，在黑洞雙星中發現通常被稱為冕的電漿體流可以逃離黑洞強引力場，向外高速運動；並且首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化。
研究表明，冕趨向黑洞收縮的同時，也以接近光速向外運動，而且冕的尺度越小，速度越大。這項成果為研究冕在黑洞吸積過程中的運動提供了重要依據，並被《自然·通訊》選為當期焦點文章。
表明黑洞存在的信號燈
黑洞吞噬恒星的過程，通常存在於黑洞X射線雙星系統內，即一個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。天鵝座X-1是第一個被認為存在黑洞的雙星系統。隨著天文學的發展，科學家在銀河系中發現的黑洞X射線雙星系統越來越多。此次發現能夠逃脫黑洞“魔爪”的冕，正是屬於一個黑洞X射線雙星系統。
那麼黑洞的冕又是什麼呢？我們知道，太陽的冕，也就是日冕，指的是在太陽表面的高溫電漿體。日冕的輻射主要集中在紫外線和X射線波段。與太陽周圍的日冕類似，在黑洞X射線雙星中，在黑洞事件視界之外，也同樣存在著高溫電漿體。因為這些高溫電漿體也會產生X射線輻射，所以我們常把黑洞附近的高溫電漿體稱為冕。
“依據目前的理論研究和觀測數據，科學家基本上認為黑洞附近都存在著這樣的高溫冕。”上述論文第一作者、武漢大學天體物理學博士遊貝說。
那麼，這種高溫冕究竟是怎麼形成的呢？
對此，遊貝表示，黑洞本身雖無光，但在黑洞X射線雙星中，大量伴星物質被黑洞的強引力捕獲後，會旋轉著逐漸向黑洞運動，形成一個發光的盤狀結構，也就是通常說的吸積盤。吸積盤物質在掉入黑洞之前，釋放了黑洞的引力勢能，使得自身被加熱。當被加熱物質不能通過物理過程釋放能量時，溫度便隨之增高。高溫物質最終會被電離，形成高溫電漿體，也就是冕。
黑洞因為事件視界的存在，很難被我們直接觀測到。但是，事件視界之外的冕能夠產生X射線輻射，被我們觀測到。這就相當於在天空中，給我們點亮一個信號燈，告訴我們這個地方有黑洞存在。所以，在能夠探測引力波之前，宇宙中的恒星級黑洞，主要是通過冕的X射線輻射被發現的。
首次發現冕在收縮時速度增加
“然而，冕在黑洞附近是如何運動的，一直是緻密天體研究中的一個未解之謎。”遊貝說。
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，而且在相當長一段時間裏，它是天空中最亮的X射線源之一。慧眼衛星對這個天體的爆發進行了高頻次的觀測。
2020年，通過分析慧眼衛星的時變數據，由中國科學院高能物理研究所領銜的研究團隊，在MAXI J1820+070中發現了迄今為止能量最高的低頻準週期振蕩(QPO)信號，提供了從黑洞視界附近向外發出相對論噴流，也就是向外高速運動的電漿體流的觀測證據。
對於冕在黑洞吸積過程中是如何運動的，以往的研究比較側重於理論，觀測證據相對較少。此前理論認為，越靠近黑洞，由於引力彎曲效應和吸積盤相對於冕的張角的緣故，冕輻射出的X射線光子對吸積盤上的照射程度應該越強。
然而，這一理論與研究團隊對慧眼衛星觀測數據的分析結果恰恰相反。通過分析慧眼衛星的能譜數據，研究人員發現，當冕逐漸衰弱，空間尺度趨向黑洞收縮時，其對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射線光子對吸積盤的照射強弱，依賴冕的運動速度以及黑洞的引力場。
同時，對同時期MAXI J1820+070的X射線時變分析顯示，當X射線輻射流強逐漸下降時，冕的幾何尺度趨向黑洞收縮。
研究團隊指出，目前對這一現象最合理的解釋是：冕在收縮的同時，冕中的電漿體流正在以接近光速向外運動，這為研究團隊已經發現的離黑洞很近的相對論噴流提供了獨立的觀測證據和物理解釋。“我們的研究成果不僅探測到了冕背離黑洞向外運動，更重要的是，我們首次發現，當冕的空間尺度在收縮時，其運動速度逐漸增加。”遊貝說。
“忽冷忽熱”改變了冕的空間延展結構
那麼，為什麼冕在趨向黑洞收縮的同時，會以接近光速向外運動？
“類似于日冕在空間上有延展結構，黑洞事件視界之外的冕，也有空間分佈，即空間尺度。黑洞周圍的冕，並不會因為黑洞的強引力場而被無限壓縮。”遊貝說。
維持冕的空間延展結構的因素有很多，其中之一，便是冕被加熱和冷卻的物理過程。當冕被加熱的速率弱于冕被冷卻的速率時，冕將逐漸冷卻下來。“此時，低溫的電漿體便不再是冕，也就不能輻射出高能X射線光子。因此，當談到冕在趨向黑洞收縮時，實際上，指的是高溫冕的空間尺度在縮小。”遊貝強調，當冕被持續冷卻時，其尺度便會一直向黑洞收縮。
同時，冕不僅有空間結構，也可能擁有集體的運動速度。冕可以朝向黑洞運動，也能背離黑洞向外運動。
電漿體運動的方向，取決於其受力情況。黑洞引力的吸引，使電漿體向黑洞運動，而輻射場/磁場對冕的作用使得其背離黑洞向外運動。這就像是在“拔河”，當輻射場/磁場對冕的作用強于黑洞引力場時，冕在到達黑洞事件視界之前，便能夠背離黑洞向外運動。
研究團隊進一步發現，冕尺度越小，速度越大，因此冕物質運動的相對論性集束效應抑制了黑洞的引力彎曲效應。此研究成果第一次系統地描繪了黑洞X射線雙星在爆發過程中，電漿體流逃離黑洞引力場的速度演化，對於理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。
慧眼衛星通過其時變數據，在MAXI J1820+070的黑洞視界附近發現了以接近光速向外運動的電漿體流及其進動過程；而利用其能譜數據，研究人員也發現了以接近光速向外運動的電漿體流及其速度的演化。
對此，論文共同通訊作者、中國科學院高能物理研究所研究員張雙南表示，這兩項相互印證的研究成果，展示了慧眼衛星進行寬能段時變和能譜研究的綜合優勢。
