黑洞X射线双星的探索与发现

作者: 闫震

来源: 中国科学院上海天文台

发布日期: 2021-11-11 07:30:00

本文详细介绍了银河系中的黑洞X射线双星,特别是天鹅座X-1的发现及其特性。通过傅里叶变换分析X射线流量的变化,揭示了黑洞附近的物质运动和引力效应。慧眼卫星的观测结果进一步展示了我国在高能X射线观测领域的优势,并提出了未来研究的方向。

现在大家都知道在我们银河系的中心潜藏着一个超级黑洞,质量大约是我们太阳的400万倍。在我们银河系中还有千千万万的小黑洞,根据不同的方法估计,这些小黑洞的数量大约在一千万到一亿之间,这种黑洞是大质量恒星死亡后的最终归宿。相当一部分的这种小黑洞是在一个双星系统中,也就是由一颗正常恒星和一颗黑洞相互绕转组成的。

众所周知,黑洞的引力是非常强大的,如果伴星离它太近,一些伴星的物质就会被黑洞吸引,最终落入黑洞。在这个过程中会释放巨大的引力能,这些引力能的一部分会加热下落的物质,在非常靠近黑洞的地方,可以把它们加热到几百万度甚至上亿度,能量转化效率比核聚变还要高得多。这么炽热的物质辐射出非常强烈的X射线,因此这种类型的双星也叫做黑洞X射线双星。

天鹅座X-1便是第一颗被发现的黑洞X射线双星,是发现于上世纪六十年代的第一批X射线天体之一。在发现后不久,一些天文学家就推测天鹅座X-1是一颗蓝巨星和一颗黑洞相互绕转的双星系统,蓝巨星有很强烈的星风,这些星风物质被黑洞吸积,从而释放出高能的X射线辐射。

关于这个天体是不是黑洞,著名物理学家霍金和索恩还打了一个赌,霍金在他的畅销书《时间简史》记述了这场赌局,霍金打赌天鹅座X-1不是黑洞,最终他还是输了。今年发表在《科学》杂志的最新精确测量表明,天鹅座X-1距离我们大约7200光年,它的黑洞质量是我们太阳的21倍,是我们银河系中已知质量最大的恒星级黑洞。

天文学家把天体的X射线流量变化通过傅里叶变换产生功率谱(如图3),显示了X射线流量在各个不同频率上变化的幅度,这样就更容易提取出光变特征。

比如随机白噪声的功率谱,功率也是随机分布的,但是平均值是一个常数(图3上);如果是随机噪声中有一个周期变化,功率谱上就会看到相应频率(周期倒数)的功率非常大(图3中),显著超过噪声的功率;还有一种变化很接近周期性但又不是完全周期的,叫做准周期振荡(quasi-periodic oscillation),它的功率谱上就会显示出一个尖峰叠加在噪声的功率上(图3下)。

慧眼卫星是我国首颗X射线天文卫星,可以测量天体的X射线流量在小于1毫秒时间内的变化,从而追踪黑洞或者中子星附近物质的极其高速的运动,而且覆盖很宽的X射线能量范围(1--250 keV)。天鹅座X-1是其第一个科学观测对象,在2017年6月发射升空之后,就随即开展了对天鹅座X-1的观测。

上海天文台的研究人员近期分析了慧眼对天鹅座X-1的观测数据,在曝光时间最长的一次观测中,显著地探测到一个频率在88毫赫兹的准周期振荡信号,而且这个信号只存在一段时间,随后就消失了。类似的准周期振荡在RXTE时代从未在50keV以上的高能X射线能量范围探测到,因此,该结果充分显示了我国慧眼卫星在高能X射线的观测优势。

无独有偶,在大麦哲伦星云中有一颗和天鹅座X-1类似的黑洞X射线双星,叫做LMC X-1,它也拥有一个蓝巨星作为伴星,黑洞通过吸积蓝巨星的星风辐射强烈的X射线。

天文学家们在它的X射线中两次探测到了几十毫赫的准周期振荡(一次27毫赫兹,一次80毫赫兹),和此次慧眼卫星在天鹅座X-1的探测一样,都是在所谓的“软态”(也就是低能X射线辐射为主的状态)下探测到的准周期振荡,而且都是只存在了一小段时间就消失了。

另外,通过洛希瓣吸积的黑洞X射线双星中的准周期振荡是在所谓的“硬态”(也就是高能X射线辐射为主的状态)发现的,频率也大都高于100毫赫兹,研究人员推测在星风吸积的大质量黑洞X射线双星中发现的准周期振荡应该有不同的起源,很可能和星风吸积模式有关。研究人员希望未来能够利用我国的慧眼卫星对更多的星风吸积X射线双星进行研究,解决这一类型的准周期振荡的起源问题。

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