麻省理工學院的天文學家已經成功地繪製了Hercules X-1系統中盤狀風的垂直形狀和結構圖，標誌著首次以二維方式觀察到這種風。研究小組利用了這顆中子星搖晃的吸積盤，這使得他們能夠從不同的角度觀察這種風。

這項新的繪圖技術可以通過研究一系列天體中的風的特性，幫助確定盤狀風如何影響恆星系統和星系的形成和演變。這一發現揭示了黑洞和中子星是如何影響宇宙的。

吸積盤是一個巨大的氣體和塵埃漩渦，它像棉花糖一樣聚集在黑洞或中子星周圍，它從附近的恆星吸入物質。隨著圓盤的旋轉，它刮起了強大的風，推拉著不斷旋轉的等離子體。這些巨大的外流可以通過加熱和吹走黑洞周圍的氣體和塵埃來影響黑洞的環境。

在巨大的尺度上，”盤風”可以為超大質量黑洞如何塑造整個星系提供線索。天文學家已經在許多系統中觀察到盤風的跡象，包括吸積黑洞和中子星。但是到目前為止，他們只瞥見過這種現象的一個非常狹窄的視角。

現在，麻省理工學院的天文學家們在Hercules X-1中觀察到了更廣泛的風的範圍，在這個系統中，一顆中子星正在從一顆類似太陽的恆星中吸取物質。這顆中子星的吸積盤是獨特的，因為它在旋轉的時候會擺動，或者說”前傾”。通過利用這種擺動，天文學家們捕捉到了旋轉盤的不同視角，並首次創建了其風的二維地圖。

新地圖揭示了風的垂直形狀和結構，以及它的速度–大約每秒數百公里，或每小時約一百萬英里，這是在吸積盤能夠旋轉起來的較溫和的一端。

如果天文學家能夠在未來發現更多的搖擺系統，該團隊的繪圖技術可以幫助確定盤風如何影響恆星系統的形成和演變，甚至是整個星系。

麻省理工學院Kavli天體物理學和空間研究所的博士後Peter Kosec說：”在未來，我們可以繪製一系列天體的盤風，並確定風的屬性如何變化，例如，隨著黑洞的質量，或隨著它吸積的物質的多少。這將有助於確定黑洞和中子星如何影響我們的宇宙。”

Kosec是2023年4月10日發表在《自然-天文學》雜誌上的一項研究的主要作者，他在麻省理工學院的合作者包括艾琳-卡拉、丹尼爾-羅甘蒂尼和克勞德-卡尼薩雷斯，以及來自多個機構的合作者，包括英國劍橋的天文學研究所。

固定視線

盤狀風最常在X射線雙星中被觀察到–在這些系統中，一個黑洞或中子星從一個密度較低的天體中拉出物質，並產生一個白熱的吸氣物質盤，同時還有流出的風。確切地說，風是如何從這些系統中發射出來的還不清楚。一些理論認為，磁場可以撕碎圓盤，並將一些物質作為風向外排出。其他人則認為，中子星的輻射可以加熱和蒸發盤的表面，形成白熱化的陣風。

關於風的起源的線索可以從它的結構中推斷出來，但是盤狀風的形狀和範圍一直很難解決。大多數雙星產生的吸積盤在形狀上是相對均勻的，就像在一個平面上旋轉的薄薄的氣體甜甜圈。從遠處的衛星或望遠鏡研究這些盤的天文學家只能在一個固定的、狹窄的範圍內，相對於其旋轉的盤，觀察到盤風的影響。因此，天文學家設法探測到的任何風都是其較大結構的一小部分。

“我們只能在一個點上探測風的特性，而對這個點周圍的一切完全視而不見，”Kosec指出。

2020年，他和他的同事們意識到，一個雙星系統可以為盤狀風提供一個更廣泛的視角。Hercules X-1因其扭曲的吸積盤而從大多數已知的X射線雙星中脫穎而出，該吸積盤在圍繞該系統的中央中子星旋轉時搖擺不定。

吸積盤每35天擺動一次，風從吸積盤的某個地方發出，隨著時間的推移在吸積盤上方的不同高度穿過我們的視線。這是這個系統的一個非常獨特的屬性，它使天文學家們能夠更好地了解它的垂直風特性。

扭曲的搖擺

在新的研究中，研究人員使用兩台X射線望遠鏡–歐洲航天局的XMM牛頓和美國宇航局的錢德拉天文台–來觀察Hercules X-1。

“我們測量的是X射線光譜，這意味著到達我們探測器的X射線光子的數量，與它們的能量。我們測量吸收線，或在非常具體的能量下缺乏X射線光，”Kosec說。”從不同線條的強弱比例來看，我們可以確定溫度、速度和盤風中的等離子體數量。”

通過Hercules X-1的翹曲圓盤，天文學家能夠看到圓盤的線條隨著它的擺動和旋轉而上下移動，類似於從邊上看時翹曲的唱片出現擺動的方式。這種效果是這樣的，研究人員可以在相對於圓盤的變化高度觀察到圓盤風的跡象，而不是在均勻旋轉的圓盤上方的單一固定高度。

通過測量X射線發射和盤面隨時間擺動和旋轉時的吸收線，研究人員可以掃描諸如相對於盤面的不同高度的風的溫度和密度等屬性，並構建一個風的垂直結構的二維地圖。

“我們看到的是，風從圓盤上升起，與圓盤成大約12度的角度，因為它在空間中膨脹，”Kosec說。”它也變得更冷，更結實，在盤子上方的更高處更弱。”

該小組計劃將他們的觀察結果與各種風的發射機制的理論模擬進行比較，以觀察哪種機制能夠最好地解釋風的起源。在更遠的地方，他們希望發現更多扭曲和搖擺的系統，並繪製它們的盤風結構。然後，科學家們可以對盤風有一個更廣泛的看法，以及這種外流如何影響其周圍環境–特別是在更大的尺度上。

“超大質量黑洞如何影響星系的形狀和結構？”麻省理工學院1958級物理學職業發展助理教授艾琳-卡拉提出這個問題。”其中一個主要的假設是，從黑洞發射的盤狀風會影響星系的外觀。現在我們可以更詳細地了解這些風是如何被發射的，以及它們看起來是什麼樣子。”