【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(cè)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(zhǔn)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(duì)論噴流(向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流)的進(jìn)動(dòng)。
 

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

　　低頻QPO發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，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。30多年來(lái)，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個(gè)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(guò)程中形成的吸積盤(pán)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(jìn)動(dòng)或振蕩導(dǎo)致X射線輻射產(chǎn)生準(zhǔn)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(cè)到30 keV以上的低頻QPO現(xiàn)象，對(duì)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(由一個(gè)幾倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和一個(gè)恒星組成的雙星系統(tǒng))MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā)，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)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(duì)這一重要天體進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的高頻次定點(diǎn)觀測(cè)，積累了海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。基于這些觀測(cè)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，高能量超過(guò)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)，說(shuō)明該QPO并不來(lái)自吸積盤(pán)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。因此，研究團(tuán)隊(duì)提出，該低頻QPO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(duì)論的參考系拖曳效應(yīng)產(chǎn)生的。
 

　　噴流是運(yùn)動(dòng)速度接近光速的高速物質(zhì)流，以前在射電、可見(jiàn)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(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量)的遙遠(yuǎn)類星體中都觀測(cè)到過(guò)，是黑洞系統(tǒng)的一種主要觀測(cè)特征，也是黑洞系統(tǒng)在吞噬周?chē)镔|(zhì)的過(guò)程中對(duì)周?chē)h(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(yuǎn)(通常位于黑洞視界半徑百萬(wàn)倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實(shí)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(yuǎn)的位置，以及是如何從黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)中逃出并且被加速到接近光速的。“慧眼”衛(wèi)星的觀測(cè)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(cè)到的距離黑洞近的相對(duì)論噴流，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(guò)程和輻射機(jī)制等具有意義。
 

　　“慧眼”衛(wèi)星是我國(guó)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星，高能所是項(xiàng)目提出單位，并牽頭負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)衛(wèi)星系統(tǒng)的工作并承擔(dān)衛(wèi)星平臺(tái)研制，清華大學(xué)、中科院國(guó)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(lái)有望發(fā)現(xiàn)更多的高能低頻QPO現(xiàn)象。