中国慧眼卫星发现距离黑洞最近的超高速喷流，是怎么发现的？
星宇飘零2020-09-22 23:59
本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。
当地时间2020年9月21日，我国慧眼卫星（HXMT）团队在国际顶级学术期刊《自然》（nature）的旗下的天文学专刊《自然天文学》（nature astronomy）上在线发表了名为《硬X射线调制望远镜在一个黑洞X射线双星里发现200keV以上能量振荡》（Discovery of oscillations above 200keV in a black hole X-ray binary with Insight-HXMT）的论文，公布了我国慧眼卫星HXMT（Hard X-ray Modulation Telescope硬X射线调制望远镜）对X射线双星MAXI J1820+070的观测数据，观测结果表明，黑洞在200keV以上异常高的能段下依然存在低频准周期振荡（Low-frequency quasiperiodic oscillations）。
下面我们来简单解读一下这次的发现是怎么回事，我保证下文不会再有整串的英文了……
在开始前我们先说说慧眼卫星是干嘛的。慧眼卫星的英文全称是硬X射线调制望远镜，是我国发射的首颗天文观测卫星，2017年6月15日由长征四号乙运载火箭成功发射并随即展开天文观测。它是目前世界上最灵敏的硬X射线望远镜，其探测范围覆盖从1keV-3MeV的能量范围。
2017年8月，在升空两个月后，慧眼卫星即与全球多家天文台一起对新发现的GW170817引力波信号中的双中子星合并事件的电磁对应体进行电磁波段的联合观测，虽然最终什么都没发现，但没发现不等于没贡献，慧眼的“什么都没发现对双中子星合并中高能区（MeV，百万电子伏特以上能量区域）的电磁辐射性质做出了严格的限制，这对双中子星合并电磁辐射模型的建立意义重大。
回到本次黑洞X射线双星MAXI J1820+070的观测，（这天体编号……没法翻译，对不住大家了_(:D)∠)_），中科院高能所的“慧眼”团队，检测到该X射线源在很宽的能量范围内存在低频准周期振荡，下图为慧眼在1keV-250keV能量范围内的低频准周期振荡，结果显示，即使在200keV-250keV的高能段下，该震荡依然存在，并且变化周期和幅度基本不变。
在此前，科学家对低频准周期振荡的形成机制不太确定，大致有两种猜想，一种时由吸积盘不稳定性导致的，另一种猜想是黑洞周围时空产生周期性进动产生的。
此次在200keV以上能段检测到低频准周期振荡排除了前一种可能，因为理论上黑洞吸积盘通过热辐射是无法产生这么高能量的辐射的。能产生如此高的能量辐射只能是黑洞两极的高速喷流，以接近光速的速度从两极喷出时，高温辐射加上相对论性喷流的超高速产生的。
所以，这次观测到的能量如此高的低频准周期震荡应该是由黑洞喷流产生的。在慧眼团队给出的此次事件的形成机制：由于这个黑洞的自旋轴与喷流存在一定的夹角，根据广义相对论，黑洞在旋转时对周围时空产生拖拽，这称为参考系拖拽，高速旋转的时空使黑洞的喷流喷射方向产生强烈的进动，从而导致从两极近光速喷射而出的黑洞喷流也产生了进动，从而形成了这种振荡。
而按照理论，越靠近黑洞的喷流产生的辐射能力越高，慧眼团队据此计算在如此高的能量下，该喷流为止距离黑洞是非常接近的，估计在数百公里左右，这是迄今看到距离黑洞最近的黑洞喷流了。
这是今天（北京时间）才发布的论文，文章写得比较匆忙，难免有错漏，请见谅，后续我会再认真看看此次的发现，如果有更多更新的信息，我后续会再写相关文章，欢迎点击关注。
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