“慧眼”衛星發現迄今距離黑洞最近的高速噴流

　　9月21日，《自然-天文學》在線發表“慧眼”（HXMT）衛星最新觀測結果：在高于200千電子伏特（keV）的能段發現黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。研究表明，其起源于黑洞視界附近的相對論噴流（向外高速運動的等離子體流）的進動。

　　該研究工作由中國科學院高能物理研究所、英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中科院上海天文臺等共同完成，為解決存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據。

　　低頻QPO發現于上世紀80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象，表現為光變曲線上出現類似周期性但是并非精確周期性的調制。30多年來，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個未解難題。目前，存在兩類最為流行的模型解釋低頻QPO現象，即“物質在旋轉落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩定性導致X射線輻射產生振蕩”“近黑洞的冕狀X射線輻射區的進動或振蕩導致X射線輻射產生準周期調制”。在“慧眼”衛星之前，X射線衛星只具有在30 keV以下的能區研究低頻QPO的能力，很難區分這些模型。“慧眼”衛星的有效能段為1-250 keV，并且在30 keV以上具有最大的有效面積，科學家們期待“慧眼”在一些黑洞中探測到30 keV以上的低頻QPO現象，對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。

　　2018年3月11日，黑洞X射線雙星（由一個幾倍太陽質量的黑洞和一個恒星組成的雙星系統）MAXI J1820+070發生爆發，在相當長一段時間里是天空中最亮的X射線源之一。“慧眼”衛星快速反應，對這一重要天體進行了長達幾個月的高頻次定點觀測，積累了海量的觀測數據。基于這些觀測數據，研究團隊發現MAXI J1820+070在很寬的能段范圍內都存在低頻QPO現象，最高能量超過200 keV，比“慧眼”衛星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個數量級，說明該QPO并不來自吸積盤的熱輻射區域。進一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚于能量較高的QPO產生，這些都和已有的流行模型嚴重沖突。因此，研究團隊提出，該低頻QPO應該產生于黑洞視界附近噴流的進動，很可能是黑洞自轉產生的廣義相對論的參考系拖曳效應產生的。

　　噴流是運動速度接近光速的高速物質流，以前在射電、可見光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統以及中心是超大質量黑洞（質量是百萬到百億倍太陽質量）的遙遠類星體中都觀測到過，是黑洞系統的一種主要觀測特征，也是黑洞系統在吞噬周圍物質的過程中對周圍環境產生顯著反饋影響的一種主要手段。但這些噴流距離黑洞都非常遠（通常位于黑洞視界半徑百萬倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實際上已經不起作用），因此并不清楚這些噴流到底起源于距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出并且被加速到接近光速的。“慧眼”衛星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里（幾倍黑洞視界半徑）的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，對于研究黑洞附近的廣義相對論效應、物質動力學過程和輻射機制等具有意義。

　　“慧眼”衛星是我國第一顆空間X射線天文衛星，高能所是項目提出單位，并牽頭負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學研究工作，航天五院負責衛星系統的工作并承擔衛星平臺研制，清華大學、中科院國家空間科學中心、北京師范大學等單位參與該工程。關于MAXI J1820+070中低頻QPO現象的研究成果顯示了其研究天體高能X射線快速光變的能力，未來有望發現更多的高能低頻QPO現象。

低頻QPO起源于圍繞黑洞進動的高速噴流

“慧眼”衛星首次探測到了能量在200keV以上的低頻QPO

“慧眼”衛星發現迄今離黑洞最近的噴流產生的準周期調制信號