中国新发现 这个“冕”竟能逃离黑洞……

“慧眼”卫星首次探测到冕的动力学演化。研究团队 供图

发现逃离黑洞之“冕”

记者2月15日从中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)获悉，国际著名学术期刊《自然 通讯》当天在线发表中国“慧眼”卫星的最新科研成果——科学家团队通过分析“慧眼”卫星观测数据，在黑洞X射线双星“MAXI J1820+070”中发现了逃离黑洞强引力场向外高速运动的冕，并且首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化。

该研究表明，冕趋向黑洞收缩的同时，也以相对论速度向外运动，而且冕的尺度越小，速度越大。同时，这项成果也为研究冕在黑洞吸积过程中的运动提供了重要依据。

最新成果论文题为《“慧眼”卫星在黑洞X射线双星MAXI J1820+070中发现了向外运动的冕》，由武汉大学、中科院高能所、中科院国家天文台、南京大学、清华大学等研究人员共同完成。武汉大学天体物理中心游贝博士是第一作者，武汉大学王伟教授和中科院高能所张双南研究员是共同通讯作者。

黑洞X射线双星研究历史

中科院高能所介绍说，早在上世纪60年代，天文学家就在银河系中探测到X射线辐射源。在这些X射线源中，天鹅座X-1(Cygnus X-1)是第一个被认为存在黑洞的双星系统。此后随着天文学发展，在银河系中发现的黑洞X射线双星系统越来越多。目前普遍认为，在黑洞X射线双星中，伴星物质被黑洞引力捕获，旋转着逐渐向黑洞运动，形成吸积盘结构，而在吸积盘内区附近又会形成高温冕。然而，冕在黑洞附近如何运动一直是致密天体研究中的一个未解之谜。

热冕对吸积盘照射强度的演化。研究团队 供图

2018年3月，距地球大约1.13万光年处的黑洞X射线双星MAXI J1820+070发生爆发，而且在相当长一段时间里是天空中最亮的X射线源之一，“慧眼”卫星随即对这个天体的爆发进行高频次观测。

2020年，中科院高能所领衔研究团队通过分析“慧眼”卫星的时变数据，在MAXI J1820+070中发现迄今为止能量最高的低频准周期振荡(QPO)信号，提供出从黑洞视界附近向外发出相对论喷流(向外高速运动的等离子体流)的观测证据。

近期，武汉大学天体物理中心领衔研究团队通过分析“慧眼”卫星的能谱数据发现，当X射线辐射强度逐渐减小，亦即冕逐渐衰弱时，其对吸积盘的照射程度(即从冕出射的光子，照射到吸积盘和无穷远处的流量比值)也在减弱。研究团队指出，从冕中出射的X射线光子对吸积盘的照射强弱，依赖冕的运动速度以及黑洞的引力场。

资料图：低频QPO起源于围绕黑洞进动的高速喷流的艺术想象示意图。中科院高能所“慧眼”卫星团队 供图

最新“冕王”研究确认

能逃脱黑洞引力的冕，当然堪称“冕王”，研究确认其“加冕”颇受关注。

研究团队指出，冕在黑洞吸积过程中如何运动尚不明确，以往的研究比较侧重于理论，观测证据相对较少。理论上，当冕以相对论速度向外运动时，相对论性集束效应会削弱冕对吸积盘的照射。

该团队对同时期MAXI J1820+070的X射线时变分析显示，当X射线辐射流强逐渐下降时，冕的几何尺度趋向黑洞收缩(即尺度在减小)；而越靠近黑洞，引力弯曲效应越强，吸积盘相对于冕的张角越大，冕辐射出的X射线光子本应有更大比例照射到吸积盘上，增强冕对吸积盘的照射。

资料图：“慧眼”卫星发现离黑洞最近的喷流产生的准周期调制信号的艺术想象示意图。中科院高能所“慧眼”卫星团队 供图

这和研究团队对“慧眼”观测数据的分析结果相反，究竟是为什么？研究团队认为，目前这一现象最合理的解释是：冕在收缩的同时，冕中的等离子体流正在以相对论速度向外运动。这为“慧眼”团队已经发现的离黑洞很近的相对论喷流提供了独立的观测证据和物理解释。进一步研究发现，冕尺度越小，速度越大，因此冕物质运动的相对论性集束效应抑制了黑洞的引力弯曲效应。

研究团队表示，此次“冕王”发现和确认的重要成果，第一次系统描绘出黑洞X射线双星在爆发过程中，等离子体流逃离黑洞引力场的速度演化，对于理解黑洞吸积过程和相对论效应意义重大。

资料图：“慧眼”卫星首次探测到了能量在200keV以上的低频QPO。中科院高能所“慧眼”卫星团队 供图

“慧眼”卫星展示综合优势 这次最新的“冕”研究成果，是“慧眼”卫星通过其时变数据，在MAXI J1820+070的黑洞视界附近发现以相对论速度向外运动的等离子体流及其进动过程，同时，利用“慧眼”卫星能谱数据，也发现以相对论速度向外运动的等离子体流及其速度的演化。研究团队称，这两项相互印证的研究成果，展示出“慧眼”卫星进行宽能段时变和能谱研究的综合优势。

据了解，“慧眼”硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope，英文简称HXMT)卫星是中国第一颗空间天文卫星(也称空间天文望远镜、空间天文台)，它既可以实现宽波段、大视场X射线巡天，又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱，同时还是具有高灵敏度的伽马射线暴全天监视仪。

资料图：“慧眼”卫星在太空的艺术想象图。中科院高能所“慧眼”卫星团队 供图

作为中国首台空间X射线望远镜，“慧眼”卫星于2011年正式进入工程研制阶段，2017年6月中旬发射成功，开展科学观测。其携带高、中、低能三台X射线望远镜，主要科学目标包括：搜寻银盘面上的新的暂现源，监测已知的变源；观测X射线双星以研究强引力场或强磁场中的运动和辐射机制；监测研究伽马射线暴和引力波电磁对应体。

“慧眼”卫星项目由中科院高能所提出并牵头负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作，它的成功发射和运行，使中国在国际竞争激烈的高能天体物理观测领域占有重要一席之地。