最新！X射线技术揭示黑洞周围前所未见的物质

来源：天文物理

此前天文学家利用NASA钱德拉x射线天文台数据发现了位于银河系中心附近数千个黑洞的证据。这些黑洞由恒星质量的黑洞组成，它们的质量通常是太阳质量的5到30倍。这些新发现黑洞是在三光年内被发现的（在宇宙尺度上是相对较短的距离）在银河系中心人马座A* (Sgr A*)的超大质量黑洞。

对星系中恒星动力学的理论研究表明，大量的恒星质量黑洞（多达2万个）可能在亿万年中向内漂移，并在Sgr A*周围聚集，最近使用钱德拉数据分析是第一个观测到黑洞的证据。黑洞本身是不可见的。然而一颗被黑洞或中子星锁在轨道上的恒星会从它的伴星那里拉出气体(天文学家称这些系统为“x射线双星”)。

图片：NASA/Chandra X-Ray Observatory

这种物质落入一个圆盘中，加热到数百万度并产生x射线，然后消失在黑洞中。一些x射线双星在钱德拉图像中以点状来源出现。在日本和瑞典之间的国际合作中，科学家们阐明了引力是如何影响双星系统Cygnus X-1黑洞附近物质的形状。发现于本月发表在《自然天文》上，可能有助于科学家进一步了解强引力的物理原理以及黑洞和星系演化。

在天鹅座的中心附近有一颗恒星，它围绕着宇宙中发现的第一个黑洞运转。它们一起形成了一个双星系统，称为Cygnus X-1。这个黑洞也是天空中最亮的x射线源之一。然而产生这种光的物质的几何形状是不确定的。研究小组从一种叫做x射线偏振测量的新技术中发现了这些信息。

天鹅座X-1中的黑洞是天空中最亮x射线源之一，黑洞附近的光来自物质从伴星上吸走。图片：NASA, ESA, Martin Kornmesser

拍一张黑洞的照片并不容易。首先观测黑洞还不可能，因为光无法逃逸。与其观察黑洞本身，科学家还可以观察到靠近黑洞的物质发出的光。在Cygnus X-1中，这个物质来自于靠近黑洞的恒星。看到大多数光，像来自太阳的光，在许多方向振动。偏振滤光片使光朝一个方向振动。

这就是偏振光镜头的雪镜如何让滑雪者更容易地看到他们要下山的地方——工作原理是这样的，因为滤镜可以减少雪反射的光线。广岛大学的助理教授、研究报告的合著者高桥宏明说：黑洞周围的硬x射线也是同样的情况，然而，来自黑洞附近的硬x射线和伽马射线穿透了这个过滤器。这些射线没有“护目镜”，所以我们需要另一种特殊的处理方法来指导和测量光的散射。

偏振滤光器使光在一个方向上振动。图片：Masako Hayashi, CORE-U, Hiroshima University

研究小组需要弄清楚光线从哪里来，又从哪里散射。为了进行这两项测量，研究人员在一个叫做PoGO+的气球上发射了一个x射线偏振计。从那里，研究小组可以拼凑出从吸积盘反射出的硬x射线的比例，并确定物质的形状。两个相互竞争的模型描述了黑洞附近物质在双星系统中的表现，比如Cygnus X-1：灯柱模型和扩展模型。在灯柱模型中，日冕是紧凑的，与黑洞紧密相连。光子向吸积盘弯曲，产生更多的反射光。在扩展模型中，日冕更大，分布在黑洞附近。在这种情况下，圆盘反射的光较弱。

两个相互竞争的黑洞模型表示：灯柱和扩展。黑点是黑洞，蓝色是吸积盘，红色是日冕。图片：Fumiya Imazato, Hiroshima University

由于在黑洞强大的引力作用下，光线不会发生太大的弯曲，研究小组得出的结论是，黑洞符合扩展的日冕模型。有了这些信息，研究人员可以发现黑洞的更多特征。一个例子是它的自旋。自旋影响可以改变黑洞周围的时空。自旋也可能为黑洞的演化提供线索。它可能自宇宙开始以来速度就在减慢，也可能积累物质并以更快的速度旋转。天鹅座黑洞是众多黑洞中的一个，用x射线偏振测量法研究更多的黑洞，比如那些靠近星系中心的黑洞，也许能更好地理解黑洞的演化，以及星系演化。

博科园-科学科普｜参考期刊文献:《Nature Astronomy》｜研究来自：NASA，广岛大学，Nature Astronomy (2018). DOI: 10.1038/s41550-018-0489-x