研究结果将于2019年1月9日在华盛顿西雅图举行的第233届美国天文学会会议的新闻发布会上公布。一篇研究论文也将发表在该杂志上自然2019年1月10日。

利用国际空间站上美国宇航局的中子星内部成分探测器(NICER)的有效载荷，研究小组探测到最近发现的黑洞MAXI J1820+070(简称J1820)发出的x射线，因为它消耗了伴星的物质。x射线波形成了“光回声”，被黑洞附近的旋转气体反射，揭示了环境大小和形状的变化。

“NICER使我们能够比以往任何时候都更接近恒星质量黑洞测量光回波，”该研究论文的主要作者卡拉说，他也是哈勃研究员，在美国宇航局戈达德太空飞行中心和联合空间科学研究所共同任命。“以前，这些来自内部吸积盘的光回声只能在超大质量黑洞中看到，这些黑洞的质量是数百万到数十亿个太阳的质量，并且变化缓慢。像J1820这样的恒星黑洞质量要低得多，进化速度也快得多，所以我们可以看到人类时间尺度上的变化。”

J1820位于狮子座方向，距离地球约1万光年。该黑洞的伴星是在欧洲航天局(ESA)盖亚任务的一项调查中发现的，该任务使研究人员能够估计出它与地球的距离。直到2018年3月11日，天文学家才意识到黑洞的存在，当时也在空间站上的日本宇宙航空研究开发机构的全天x射线图像监视器(MAXI)发现了一次爆发。

在短短几天内，J1820从一个完全未知的黑洞变成了x射线天空中最亮的光源之一。NICER迅速捕捉到这一戏剧性的转变，并继续跟踪火山喷发的逐渐消失的尾巴。

“NICER被设计得足够敏感，可以研究被称为中子星的微弱、密度极高的物体，”NICER科学负责人、美国宇航局戈达德天文台的天体物理学家扎文·阿祖马尼安说。“我们很高兴它在研究这些非常明亮的x射线恒星质量黑洞方面也被证明是多么有用。”

黑洞可以从附近的伴星上吸走气体，并将其吸入一个被称为吸积盘的物质环中。引力和磁力将圆盘加热到数百万摄氏度，使其热到足以在靠近黑洞的圆盘内部产生x射线。当盘的不稳定性导致大量气体突然向黑洞内冲时，就会发生爆发，就像气体雪崩一样。天文学家还不知道是什么导致了这些圆盘的不稳定。

盘的上方是日冕，这是一个亚原子粒子被加热到10亿摄氏度的区域，发出高能x射线。关于黑洞日冕的起源和演化仍有许多未解之谜。一些理论认为，这种结构可能代表了这类系统经常发射的高速粒子射流的早期形式。

天体物理学家想要更好地了解黑洞吸积盘的内缘——以及它上面的日冕——在黑洞消耗伴星的物质时是如何改变大小和形状的。如果科学家能够理解这些变化是如何以及为什么在几周内发生在恒星质量黑洞中，他们就可以对超大质量黑洞如何在数百万年的时间里进化以及它们如何影响它们所在的星系有新的认识。

一种用来绘制这种变化的方法被称为x射线混响测绘，它使用x射线反射，就像声纳使用声波来绘制海底地形一样。来自日冕的一些x射线直接向我们飞来，而另一些则照亮了圆盘，并以不同的能量和角度反射回来。

超大质量黑洞的x射线混响映射显示，吸积盘的内缘非常接近黑洞的视界——任何物质或能量都无法逃逸的视界。日冕也很致密，离黑洞更近，而不是在吸积盘的大部分地方。

先前对恒星质量黑洞的x射线回波的观测表明，吸积盘的内缘可能相当遥远——高达视界大小的数百倍。然而，J1820的表现更像它的超大质量表亲。

当他们检查NICER对J1820的观测结果时，卡拉的团队发现，直接来自日冕的x射线的初始耀斑与耀斑在圆盘上的回声之间的延迟或滞后时间有所减少。这表明x射线在被反射之前经过的距离越来越短。从1万光年远的地方，研究人员估计日冕垂直收缩从大约100英里到大约10英里。从这个角度来看，这就像看到蓝莓大小的东西从地球和冥王星之间的距离缩小到罂粟籽大小一样。

“这是我们第一次看到这种证据，证明在爆发演化的这个特定阶段，日冕在萎缩，”麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的天体物理学家杰克·斯坦纳说。“日冕仍然非常神秘，我们对它是什么仍然有一个松散的了解。但我们现在有证据表明，系统中正在演变的是日冕本身的结构。”

为了确认延迟时间的减少是由于日冕而不是吸积盘的变化，研究人员使用了一种称为铁K线的信号，这种信号是由日冕的x射线与吸积盘中的铁原子碰撞产生的，导致它们发出荧光。

根据爱因斯坦的相对论，在强引力场和高速下，时间运行得更慢。当离黑洞最近的铁原子受到来自日冕核心的光的轰击时，它们发射的x射线的波长会被拉长，因为时间对它们来说比对观察者来说要慢。

卡拉的团队发现，J1820的拉伸铁K线保持不变，这意味着圆盘的内缘仍然靠近黑洞——类似于超大质量黑洞。如果延迟时间的减少是由于磁盘的内缘进一步向内移动引起的，那么铁K线将变得更加拉伸。

这些观测结果让科学家们对物质如何进入黑洞以及在这个过程中能量是如何释放的有了新的认识。

“NICER对J1820的观测告诉了我们一些关于恒星质量黑洞的新知识，以及我们如何将它们作为研究超大质量黑洞及其对星系形成的影响的类似物，”阿姆斯特丹大学天体物理学家菲利普·乌特利(Philip Uttley)说。“在NICER的第一年，我们已经看到了四个类似的事件，这很了不起。感觉我们正处于x射线天文学重大突破的边缘。”爱博网站