【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】9月21日，《自然-天文學(xué)》在線發(fā)表“慧眼”(HXMT)衛(wèi)星觀測結(jié)果：在高于200千電子伏特(keV)的能段發(fā)現(xiàn)黑洞雙星系統(tǒng)的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量高的低頻QPO現(xiàn)象。研究表明，其起源于黑洞視界附近的相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)的進動。
 

　　該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所、英國南安普頓大學(xué)、德國圖賓根大學(xué)、中科院上海天文臺等共同完成，為解決存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據(jù)。
 

　　低頻QPO發(fā)現(xiàn)于上世紀80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現(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。30多年來，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個未解難題。目前，存在兩類流行的模型解釋低頻QPO現(xiàn)象，即“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”“近黑洞的冕狀X射線輻射區(qū)的進動或振蕩導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生準周期調(diào)制”。在“慧眼”衛(wèi)星之前，X射線衛(wèi)星只具有在30 keV以下的能區(qū)研究低頻QPO的能力，很難區(qū)分這些模型。“慧眼”衛(wèi)星的有效能段為1-250 keV，并且在30 keV以上具有大的有效面積，科學(xué)家們期待“慧眼”在一些黑洞中探測到30 keV以上的低頻QPO現(xiàn)象，對相關(guān)理論模型進行更加嚴格的檢驗。
 

　　2018年3月11日，黑洞X射線雙星(由一個幾倍太陽質(zhì)量的黑洞和一個恒星組成的雙星系統(tǒng))MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā)，在相當長一段時間里是天空中亮的X射線源之一。“慧眼”衛(wèi)星快速反應(yīng)，對這一重要天體進行了長達幾個月的高頻次定點觀測，積累了海量的觀測數(shù)據(jù)。基于這些觀測數(shù)據(jù)，研究團隊發(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，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數(shù)量級，說明該QPO并不來自吸積盤的熱輻射區(qū)域。進一步的研究還表明，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重沖突。因此，研究團隊提出，該低頻QPO應(yīng)該產(chǎn)生于黑洞視界附近噴流的進動，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。
 

　　噴流是運動速度接近光速的高速物質(zhì)流，以前在射電、可見光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統(tǒng)以及中心是超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量是百萬到百億倍太陽質(zhì)量)的遙遠類星體中都觀測到過，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。但這些噴流距離黑洞都非常遠(通常位于黑洞視界半徑百萬倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實際上已經(jīng)不起作用)，因此并不清楚這些噴流到底起源于距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出并且被加速到接近光速的。“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(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)動力學(xué)過程和輻射機制等具有意義。
 

　　“慧眼”衛(wèi)星是我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星，高能所是項目提出單位，并牽頭負責衛(wèi)星有效載荷、地面應(yīng)用系統(tǒng)和科學(xué)研究工作，航天五院負責衛(wèi)星系統(tǒng)的工作并承擔衛(wèi)星平臺研制，清華大學(xué)、中科院國家空間科學(xué)中心、北京師范大學(xué)等單位參與該工程。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射線快速光變的能力，未來有望發(fā)現(xiàn)更多的高能低頻QPO現(xiàn)象。