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

一個(gè)來(lái)自南非、英國(guó)、法國(guó)和美國(guó)的國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，距離銀河系最近的一個(gè)黑洞周圍觀測(cè)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(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》。

這個(gè)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(guó)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(yáng)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(gè)質(zhì)量至少是太陽(yáng)8倍的黑洞。

這一發(fā)現(xiàn)是由美國(guó)變星觀測(cè)者協(xié)會(huì)（AAVSO）的全球業(yè)余愛(ài)好者在近一年的時(shí)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(cè)到的三個(gè)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(gè)月里都很亮，所以才有可能有這么多的業(yè)余愛(ài)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(shuō)：“來(lái)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(shí)，就會(huì)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(gè)過(guò)程是混亂的，而且變化很大，時(shí)間尺度從毫秒到幾個(gè)月不等?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)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(lái)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(lái)的可視光。因此當(dāng)X射線爆發(fā)減弱時(shí)，可見(jiàn)光也減弱了。

但在爆發(fā)近3個(gè)月后發(fā)生了一件科學(xué)家意料之外的事情，當(dāng)時(shí)光曲線開(kāi)始大幅調(diào)制——類似上下調(diào)光開(kāi)關(guān)，亮度在峰值時(shí)幾乎增加了一倍，大約持續(xù)了17個(gè)小時(shí)。然而，X射線輸出沒(méi)有任何變化，仍然保持穩(wěn)定。雖然在過(guò)去的X射線瞬態(tài)爆發(fā)中也曾觀測(cè)到小的準(zhǔn)周期可見(jiàn)調(diào)制，但從未見(jiàn)過(guò)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(shuō)：“從圖中所示的系統(tǒng)角度來(lái)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?yàn)樵隽涟l(fā)生在錯(cuò)誤的時(shí)間。也不可能是隨著調(diào)制相對(duì)于軌道逐漸移動(dòng)，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?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)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(lái)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(lái)的可視光。因此當(dāng)X射線爆發(fā)減弱時(shí)，可見(jiàn)光也減弱了。

但在爆發(fā)近3個(gè)月后發(fā)生了一件科學(xué)家意料之外的事情，當(dāng)時(shí)光曲線開(kāi)始大幅調(diào)制——類似上下調(diào)光開(kāi)關(guān)，亮度在峰值時(shí)幾乎增加了一倍，大約持續(xù)了17個(gè)小時(shí)。然而，X射線輸出沒(méi)有任何變化，仍然保持穩(wěn)定。雖然在過(guò)去的X射線瞬態(tài)爆發(fā)中也曾觀測(cè)到小的準(zhǔn)周期可見(jiàn)調(diào)制，但從未見(jiàn)過(guò)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(shuō)：“從圖中所示的系統(tǒng)角度來(lái)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?yàn)樵隽涟l(fā)生在錯(cuò)誤的時(shí)間。也不可能是隨著調(diào)制相對(duì)于軌道逐漸移動(dòng)，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?！?/p>

這就只剩下一個(gè)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(shí)間內(nèi)觀看到它時(shí)，視覺(jué)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(guò)。作者表示，這為研究扭曲吸積盤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開(kāi)辟了一條全新的途徑。

“在一組已經(jīng)很有趣的天體中，這個(gè)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(diǎn)和致密天體形成的知識(shí)?！盋harles說(shuō)，“我們已經(jīng)知道銀河系中有幾十個(gè)黑洞雙星系統(tǒng)，它們的質(zhì)量都在太陽(yáng)質(zhì)量的5-15倍范圍內(nèi)。它們都是通過(guò)物質(zhì)的累積而生長(zhǎng)的，我們?cè)谶@里已經(jīng)看到了這種現(xiàn)象?！?/p>

大約從5年前開(kāi)始，南非大型望遠(yuǎn)鏡（SALT）瞬態(tài)天體的重大科學(xué)研究項(xiàng)目已經(jīng)對(duì)緊湊雙星進(jìn)行了許多重要的觀測(cè)，包括像MAXI J1820+070這樣的黑洞系統(tǒng)。該項(xiàng)目首席研究員南非天文臺(tái)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(cè)幾周到幾個(gè)月，并可以與其他望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)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