22日，記者從中國科學(xué)院高能物理研究所(以下簡稱中科院高能所)獲悉，來自該所等國內(nèi)外單位的研究人員利用慧眼衛(wèi)星在高于200千電子伏特(keV)的能段發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星系統(tǒng)的低頻準(zhǔn)周期振蕩，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量最高的低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象。研究表明，該振蕩起源于黑洞視界附近噴流的進(jìn)動(dòng)。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然 天文學(xué)》上。

發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代的低頻準(zhǔn)周期振蕩，是一種在X射線雙星中普遍存在的時(shí)變現(xiàn)象，表現(xiàn)為光變曲線上出現(xiàn)類似周期性但是并非精確周期性的調(diào)制信號。“30多年來，低頻準(zhǔn)周期振蕩的起源一直是致密天體研究的一個(gè)待解難題。”論文第一作者、中科院高能所馬想博士說。

目前，解釋低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象最流行的模型有兩類。一類模型認(rèn)為，物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)落向黑洞的過程中形成吸積盤，這個(gè)吸積盤的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生振蕩;另一類模型認(rèn)為，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)制信號。

“在慧眼衛(wèi)星之前，X射線衛(wèi)星只具有研究30 keV以下能區(qū)的低頻準(zhǔn)周期振蕩的能力，很難區(qū)分這些模型。”論文共同通訊作者、中科院高能所陶煉博士說。慧眼衛(wèi)星的有效能段為1 keV -250 keV，并且在30 keV以上具有最大的有效面積，科學(xué)家們期待慧眼衛(wèi)星在一些黑洞中探測到30 keV以上的低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，從而對相關(guān)理論模型進(jìn)行更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

2018年3月11日，黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)，在相當(dāng)長一段時(shí)間里成為天空中最亮的X射線源之一。慧眼衛(wèi)星快速反應(yīng)，對這一重要天體過程進(jìn)行了長達(dá)幾個(gè)月的高頻次定點(diǎn)觀測，積累了海量的觀測數(shù)據(jù)。

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)都存在低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，最高能量超過200 keV，比慧眼衛(wèi)星之前觀測到的低頻準(zhǔn)周期振蕩能量上限幾乎提高了一個(gè)數(shù)量級，這說明該低頻準(zhǔn)周期振蕩并不來自吸積盤的熱輻射區(qū)域。進(jìn)一步研究表明，低頻準(zhǔn)周期振蕩的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的低頻準(zhǔn)周期振蕩晚于能量較高的低頻準(zhǔn)周期振蕩產(chǎn)生，這些都和已有的流行模型嚴(yán)重沖突。

“因此，我們提出該低頻準(zhǔn)周期振蕩應(yīng)該產(chǎn)生于黑洞視界附近噴流的進(jìn)動(dòng)，很可能是黑洞自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廣義相對論的參考系拖曳效應(yīng)產(chǎn)生的。”論文共同通訊作者、中科院高能所研究員張雙南說。

所謂噴流是指運(yùn)動(dòng)速度接近光速的高速物質(zhì)流，是黑洞系統(tǒng)的一種主要觀測特征，也是黑洞系統(tǒng)在吞噬周圍物質(zhì)的過程中對周圍環(huán)境產(chǎn)生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞非常遠(yuǎn)，因此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。

對此，張雙南表示，慧眼衛(wèi)星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里的區(qū)域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，對于研究黑洞附近的廣義相對論效應(yīng)、物質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程和輻射機(jī)制等具有重大意義。(記者 陸成寬)