天文学家绘制了新发现的黑洞的“光回波”

2019年1月10日11:09:32天文学家绘制了新发现的黑洞的“光回波”已关闭评论
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由马里兰大学天文学系Neil Gehrels奖博士后研究员Erin Kara领导的天文学家团队已经绘制了一个相对较小的恒星质量黑洞周围环境,该黑洞的…

由马里兰大学天文学系Neil Gehrels奖博士后研究员Erin Kara领导的天文学家团队已经绘制了一个相对较小的“恒星质量”黑洞周围环境,该黑洞的质量是太阳质量的10倍。这些观察结果提供了迄今为止这些小黑洞如何消耗物质并释放能量的最清晰图像。

研究结果将于2019年1月9日在华盛顿州西雅图举行的美国天文学会第233次会议的新闻发布会上公布。研究论文也将于2019年1月10日在Nature杂志上发表。

该团队在国际空间站上使用美国宇航局的中子星内部组合探测器(NICER)有效载荷,探测到最近发现的黑洞的X射线光,称为MAXI J1820 + 070(简称J1820),因为它消耗了来自伴星的材料。X射线波形成了“光回波”,从黑洞附近的旋转气体中反射出来,并揭示了环境的大小和形状的变化。

研究论文的第一作者,同时也是美国宇航局戈达德太空飞行中心共同任命的哈勃研究员卡拉说:“尼尔让我们能够测量比以往更接近恒星质量黑洞的光回波。”和联合空间科学研究所。“以前,这些内部吸积盘上的光回波只能在超大质量黑洞中看到,这些黑洞是数百万到数十亿的太阳质量,并且经历变化缓慢。像J1820这样的恒星黑洞的质量要低得多,并且演化得更快,所以我们可以看到变化在人类时间尺度上发挥作用。“

J1820距离地球约10,000光年,位于狮子座的方向。在欧洲航天局(ESA)盖亚任务的调查中发现了黑洞的伴星,这使得研究人员可以估计它与地球的距离。天文学家直到2018年3月11日才发现黑洞的存在,当时日本航空航天和探索局的全天空X射线图像监视器(MAXI)也发现了爆发,也是在空间站上。

在短短几天内,J1820从一个完全未知的黑洞变成了X射线天空中最明亮的光源之一。NICER迅速采取行动,捕捉这一戏剧性的过渡,并继续沿着火山喷发的尾部消失。

“NICER的设计灵敏度足以研究一些被称为中子星的微弱,非常密集的物体,”美国宇航局戈达德的NICER科学负责人兼天体物理学家Zaven Arzoumanian说。“我们很高兴看到它在研究这些非常X射线明亮的恒星质量黑洞时也有用。”

黑洞可以从附近的伴星中吸入气体,进入称为吸积盘的物质环。重力和磁力将磁盘加热到数百万摄氏度,使其足够热以在磁盘内部靠近黑洞产生X射线。当盘中的不稳定性导致大量气体突然向内冲向黑洞时,如气态雪崩,就会发生爆发。天文学家还不了解导致这些磁盘不稳定的原因。

圆盘上方是电晕,一个加热到10亿摄氏度的亚原子粒子区域,在高能X射线中发光。关于黑洞日冕的起源和演变,仍有许多谜团。一些理论认为结构可以代表这些类型的系统经常发射的高速粒子喷射的早期形式。

天体物理学家希望更好地理解黑洞吸积盘的内缘 - 以及它上面的日冕 - 的大小和形状如何变化,因为黑洞消耗了伴星的材料。如果科学家能够了解这些变化在恒星质量黑洞中发生这些变化的方式和原因,他们可以获得关于超大质量黑洞如何在数百万年内演化以及它们如何影响它们所在星系的新见解。

用于绘制此类变化的一种方法称为X射线混响映射,它使用X射线反射,其方式与声纳使用声波映射海底地形的方式大致相同。来自日冕的一些X射线直接朝向我们,而其他的则照射光盘并以不同的能量和角度反射回来。

超大质量黑洞的X射线混响映射表明,吸积盘的内缘非常接近黑洞的事件视界 - 无论能量还是能量都无法逃脱。日冕也很紧凑,靠近黑洞,而不是大部分的吸积盘。

先前对恒星质量黑洞的X射线回波的观察表明,吸积盘的内缘可能相当远 - 达到事件视界大小的数百倍。然而,J1820表现得更像它的超大型表兄弟。

当他们检查了NICER对J1820的观察时,卡拉的团队看到了直接来自日冕的X射线的初始耀斑与光盘的闪光回声之间的延迟或滞后时间的减少。这表明X射线在被反射之前在越来越短的距离上行进。研究人员估计,在距离我们1万光年远的地方,电晕从大约100英里垂直收缩到大约10英里。从透视的角度来看,就像从地球和冥王星之间的距离看到蓝莓大小缩小到罂粟种子的大小。

“这是我们第一次看到这种证据表明这是在爆发演变的特定阶段中日冕缩小的证据,”共同作者杰克施泰纳说,他是麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的天体物理学家。剑桥研究。“日冕仍然很神秘,我们仍然对它的含义有一个松散的认识。但我们现在有证据表明系统中正在发展的东西是日冕本身的结构。”

为了确认延迟时间的减少是由于电晕而不是吸积盘的变化,研究人员使用了一种称为铁K线的信号,当来自日冕的X射线与磁盘中的铁原子碰撞时产生,导致它们发出荧光。

根据爱因斯坦的相对论,在强引力场和高速时,时间会变慢。当最靠近黑洞的铁原子被来自日冕核心的光轰击时,它们发射的X射线的波长会因为时间比观察者的移动速度慢而拉长。

卡拉的团队发现J1820的拉伸铁线K线保持不变,这意味着盘的内边缘仍然靠近黑洞 - 类似于超大质量黑洞。如果减小的滞后时间是由于盘的内边缘进一步向内移动引起的,那么铁K线将变得更加拉伸。

这些观察结果为科学家提供了关于材料漏斗如何进入黑洞以及如何在此过程中释放能量的新见解。

“NICER对J1820的观测为我们提供了一些关于恒星质量黑洞的新观点,以及我们如何将它们用作研究超大质量黑洞及其对星系形成的影响的类比,”共同作者,大学天体物理学家Philip Uttley说。阿姆斯特丹“我们在NICER的第一年看到了四次类似的事件,这是非常了不起的。感觉就像我们处于X射线天文学巨大突破的边缘。”