数以千万计的黑洞散布在我们的银河系中,它们是时空中极其强大的引力井,下落的物质,甚至光,永远无法从中逃脱。根据定义,黑洞是黑暗的,除非在极少数情况下它们会进食。当黑洞从绕轨道运行的恒星中吸入气体和尘埃时,它会发出壮观的x射线爆发,这些x射线在吸入的气体中反弹和回响,短暂地照亮黑洞的极端环境。
现在,麻省理工学院的天文学家正在寻找来自附近黑洞x射线双星的闪光和回声,这是一种恒星绕黑洞运行,偶尔被黑洞吞噬的系统。他们正在分析来自这些系统的回声,以重建黑洞的直接、极端邻近区域。
在今天发表于天体物理学杂志》上研究人员报告说,他们使用了一种新的自动搜索工具,他们称之为“混响机”,来梳理卫星数据,寻找黑洞回声的迹象。在他们的研究中,他们在银河系中发现了八个新的回声黑洞双星。此前,已知银河系中只有两个这样的系统会发出x射线回波。
通过比较不同系统的回声,研究小组已经拼凑出了黑洞在爆发期间如何演变的总体图景。在所有星系中,他们观察到黑洞首先经历了一个“硬”状态,激发出高能光子的日冕,以及以接近光速发射出去的相对论性粒子射流。研究人员发现,在某一点上,黑洞在过渡到“软的”低能状态之前,会发出最后一次高能闪光。
这最后的闪光可能是黑洞日冕(黑洞边界外的高能等离子体区域)短暂膨胀的信号,在完全消失之前喷出了最后一次高能粒子爆发。这些发现有助于解释星系中心的超大质量黑洞如何在巨大的宇宙尺度上喷射粒子,从而塑造星系的形成。
“黑洞在星系演化中的作用是现代天体物理学中的一个突出问题,”麻省理工学院物理学助理教授艾琳·卡拉(Erin Kara)说。“有趣的是,这些黑洞双星似乎是'迷你'超大质量黑洞,因此通过了解这些小型附近系统中的爆发,我们可以了解超大质量黑洞中的类似爆发如何影响它们所在的星系。”
该研究的第一作者是麻省理工学院的研究生王静怡;其他合著者包括麻省理工学院的Matteo Lucchini和Ron Remillard,以及来自加州理工学院和其他机构的合作者。
x射线的延迟
卡拉和她的同事们正在利用x射线回声来绘制黑洞附近的地图,就像蝙蝠利用声音回声来导航周围环境一样。当蝙蝠发出叫声时,声音会被障碍物反射回来,并以回声的形式传回给蝙蝠。回声返回所需的时间与蝙蝠与障碍物之间的距离有关,从而使蝙蝠对周围环境有了一个心理地图。
以类似的方式,麻省理工学院的研究小组正试图利用x射线回波来绘制黑洞附近的地图。回声代表了两种类型的x射线之间的时间延迟:直接从日冕发射的光,以及从吸积盘反射的气体和尘埃发出的光。
望远镜接收到日冕光线的时间,与接收到x射线回波的时间相比较,就可以估计出日冕和吸积盘之间的距离。观察这些时间延迟的变化可以揭示黑洞的日冕和盘是如何随着黑洞消耗恒星物质而演变的。
回波演变
在他们的新研究中,研究小组开发了一种搜索算法来梳理美国宇航局中子星内部成分探测器(NICER)拍摄的数据,NICER是国际空间站上的一种高分辨率x射线望远镜。该算法选出了26个黑洞x射线双星系统,这些系统以前已知会发射x射线爆发。在这26个星系中,研究小组发现有10个星系距离近且足够明亮,他们可以在爆发中分辨出x射线的回声。10个卫星中有8个以前不知道会发出回声。
“我们在八个声源中看到了混响的新特征,”王说。“这些黑洞的质量是太阳质量的5到15倍,它们都是由正常的、低质量的、类太阳的恒星组成的双星系统。”
作为一项副业,卡拉正在与麻省理工学院的教育和音乐学者凯尔·基恩和伊恩·康德利合作,将典型的x射线回波的发射转化为可听的声波。
黑洞的视频回声:https://youtu.be/iIeIag2Ji8k
然后,研究人员在10个黑洞双星上运行该算法,并将数据分成具有相似“光谱时序特征”的组,即高能x射线和再处理回声之间的相似延迟。这有助于快速追踪黑洞爆发过程中每个阶段x射线回波的变化。
该团队确定了所有系统的共同进化。在最初的“硬”状态下,日冕和高能粒子的喷射主导着黑洞的能量,他们探测到的时间滞后又短又快,大约是毫秒。这种艰难的状态持续了几个星期。然后,在几天内发生转变,日冕和喷流溅射并消失,由来自黑洞吸积盘的低能x射线主导的软状态取而代之。
在这个从硬到软的过渡状态中,研究小组发现,在所有10个系统中,时间滞后都短暂地变长了,这意味着日冕和圆盘之间的距离也变大了。一种解释是,日冕可能会短暂地向外和向上膨胀,在黑洞完成大部分恒星大餐并安静下来之前的最后一次高能爆发中。
卡拉说:“我们刚刚开始能够利用这些光回波来重建离黑洞最近的环境。”“现在我们已经证明,这些回声是经常观察到的,我们能够以一种新的方式探测黑洞盘、喷流和日冕之间的联系。”
这项研究得到了NASA的部分支持。
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