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具有扭曲盤的黑洞。圖片來源：論文作者、英國南安普頓大學(xué)五里河天文學(xué)院John Paice

一個來自南非、英國、法國和美國的國際天文學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)，距離銀河系最近的一個黑洞周圍觀測到的光亮度有很大變化，該黑洞距離地球約9600光年，他們認(rèn)為這是由于吸積盤的巨大扭曲造成的。相關(guān)研究近日發(fā)表于英國《皇家天文學(xué)會月刊》。

這個名為MAXI J1820+070的天體在2018年3月爆發(fā)，是一種新型X射線瞬變，由國際空間站上的日本X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。該瞬變系統(tǒng)呈現(xiàn)出劇烈的爆發(fā)，科學(xué)家認(rèn)為它們是雙星系統(tǒng)，由一顆類似太陽的低質(zhì)量恒星和一顆更致密的天體——白矮星、中子星或是黑洞組成。若是黑洞，研究者認(rèn)為MAXI J1820+070將包含一個質(zhì)量至少是太陽8倍的黑洞。

這一發(fā)現(xiàn)是由美國變星觀測者協(xié)會（AAVSO）的全球業(yè)余愛好者在近一年的時間里獲得的廣泛而詳細(xì)的光曲線得出的。MAXI J1820+070是迄今為止觀測到的三個最亮的X射線瞬變現(xiàn)象之一，這是由于它離地球很近，又不在銀河系的模糊平面之外。它在好幾個月里都很亮，所以才有可能有這么多的業(yè)余愛好者跟隨它。

南安普頓大學(xué)教授員、研究小組成員Phil Charles解釋說：“來自正常恒星的物質(zhì)被致密天體拉入其周圍的螺旋氣體吸積盤。當(dāng)圓盤中的物質(zhì)變熱且不穩(wěn)定時，就會發(fā)生大規(guī)模的爆發(fā)，并在穿越視界之前聚集到黑洞上釋放出大量的能量。這個過程是混亂的，而且變化很大，時間尺度從毫秒到幾個月不等。”

研究團隊制作了一個可視化系統(tǒng)，展示了巨大的X射線輸出是如何從非常接近黑洞的地方發(fā)射出來的，然后輻射周圍的物質(zhì)，特別是吸積盤，將其加熱到大約10000K的溫度，這就是發(fā)射出來的可視光。因此當(dāng)X射線爆發(fā)減弱時，可見光也減弱了。

但在爆發(fā)近3個月后發(fā)生了一件科學(xué)家意料之外的事情，當(dāng)時光曲線開始大幅調(diào)制——類似上下調(diào)光開關(guān)，亮度在峰值時幾乎增加了一倍，大約持續(xù)了17個小時。然而，X射線輸出沒有任何變化，仍然保持穩(wěn)定。雖然在過去的X射線瞬態(tài)爆發(fā)中也曾觀測到小的準(zhǔn)周期可見調(diào)制，但從未見過如此規(guī)模的調(diào)制。

是什么導(dǎo)致了這種不尋常的行為？Charles說：“從圖中所示的系統(tǒng)角度來看，我們可以很快排除通常的解釋，即X射線照亮了供體恒星的內(nèi)表面，因為增亮發(fā)生在錯誤的時間。也不可能是隨著調(diào)制相對于軌道逐漸移動，從質(zhì)量傳遞流擊中圓盤的地方發(fā)出的光發(fā)生了變化。”

研究團隊制作了一個可視化系統(tǒng)，展示了巨大的X射線輸出是如何從非常接近黑洞的地方發(fā)射出來的，然后輻射周圍的物質(zhì)，特別是吸積盤，將其加熱到大約10000K的溫度，這就是發(fā)射出來的可視光。因此當(dāng)X射線爆發(fā)減弱時，可見光也減弱了。

但在爆發(fā)近3個月后發(fā)生了一件科學(xué)家意料之外的事情，當(dāng)時光曲線開始大幅調(diào)制——類似上下調(diào)光開關(guān)，亮度在峰值時幾乎增加了一倍，大約持續(xù)了17個小時。然而，X射線輸出沒有任何變化，仍然保持穩(wěn)定。雖然在過去的X射線瞬態(tài)爆發(fā)中也曾觀測到小的準(zhǔn)周期可見調(diào)制，但從未見過如此規(guī)模的調(diào)制。

是什么導(dǎo)致了這種不尋常的行為？Charles說：“從圖中所示的系統(tǒng)角度來看，我們可以很快排除通常的解釋，即X射線照亮了供體恒星的內(nèi)表面，因為增亮發(fā)生在錯誤的時間。也不可能是隨著調(diào)制相對于軌道逐漸移動，從質(zhì)量傳遞流撞擊星盤的地方發(fā)出的光發(fā)生了變化。”

這就只剩下一個可能的解釋了，巨大的X射線流照射吸積盤并導(dǎo)致其扭曲（如圖所示）。這種扭曲讓可被照亮的光盤區(qū)域大幅增加，從而使在一定時間內(nèi)觀看到它時，視覺光能量急劇增加。這種行為曾在有更大質(zhì)量供體的X射線雙星中被觀察到，但從未在像這樣有低質(zhì)量供體的黑洞瞬變中看到過。作者表示，這為研究扭曲吸積盤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開辟了一條全新的途徑。

“在一組已經(jīng)很有趣的天體中，這個天體具有不同尋常特性，它們可讓我們了解很多關(guān)于恒星演化的端點和致密天體形成的知識?！盋harles說，“我們已經(jīng)知道銀河系中有幾十個黑洞雙星系統(tǒng)，它們的質(zhì)量都在太陽質(zhì)量的5-15倍范圍內(nèi)。它們都是通過物質(zhì)的累積而生長的，我們在這里已經(jīng)看到了這種現(xiàn)象?！?/p>

大約從5年前開始，南非大型望遠(yuǎn)鏡（SALT）瞬態(tài)天體的重大科學(xué)研究項目已經(jīng)對緊湊雙星進行了許多重要的觀測，包括像MAXI J1820+070這樣的黑洞系統(tǒng)。該項目首席研究員南非天文臺的David Buckley則表示：“SALT是研究這些X射線雙星在爆發(fā)期間變化行為的完美工具，它可以定期監(jiān)測幾周到幾個月，并可以與其他望遠(yuǎn)鏡的觀測相協(xié)調(diào)，包括太空望遠(yuǎn)鏡?！保T維維）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1093/mnras/stab3033