NASA的IXPE X射線探測器揭開黑洞的隱藏層次
美國國家航空暨太空總署(NASA)的IXPE任務提供了有關黑洞冠狀面的新見解,揭示了它們的形狀,加深了我們對其結構的理解。這些數據來自對恆星質量黑洞和超大質量黑洞的觀測,顯示無論黑洞的大小如何,吸積盤的幾何形狀都是相似的。
這幅關於黑洞周圍物質漩渦的插圖突出了一個被稱為”日冕”的特殊特徵,它在X 射線光下閃閃發光。 在這張圖中,可以看到日冕是漂浮在底層吸積盤上方的紫色霧氣,並且稍微向其內緣延伸。 內部吸積盤內的物質溫度極高,會發出刺眼的藍白光,但這裡的亮度被降低了,以使日冕更加突出,對比度更高。 紫色純屬說明性顏色,代表在可見光下並不明顯的X 射線光芒。 圓盤上的翹曲真實地再現了黑洞巨大的引力如何像光學透鏡一樣,扭曲了我們對環繞它的扁平圓盤的觀察。 圖片來源:NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt
美國國家航空暨太空總署的IXPE(成像X射線極坐標探測器)任務的新發現為我們提供了前所未有的關於黑洞日冕形狀和性質的洞察力。 日冕是環繞黑洞的高溫、不斷變化的等離子體區域,物質在這裡向內流動。 到目前為止,科學家對這種結構的外觀還只有理論上的認知。 這些新發現首次揭示了日冕的形狀,為了解日冕如何幫助黑洞哺育和維持黑洞提供了線索。
黑洞以其巨大的引力而聞名,甚至連光都無法逃脫,黑洞周圍往往環繞著吸積盤–旋轉的、充滿碎片的氣體盤。 有些黑洞也會產生相對論性噴流,當黑洞主動從周圍吸入物質時,強大的物質流會以難以置信的速度噴射到太空中。
許多黑洞之所以被命名為黑洞,是因為連光都無法逃脫它們的巨大引力,黑洞的周圍有吸積盤,也就是由碎片組成的氣體漩渦。 有些黑洞還有相對論性噴流–黑洞以超強的爆發力將物質高速拋向太空,主動吞噬周圍的物質。
也許鮮為人知的是,”吃零食”的黑洞與地球上的太陽和其他恆星一樣,也擁有一個高熱的日冕。 太陽的日冕是恆星最外層的大氣,其燃燒溫度約為180 萬度華氏,而黑洞日冕的溫度估計為數十億度。天文物理學家先前曾在恆星質量黑洞(恆星坍縮形成的黑洞)和超大質量黑洞(如位於銀河系中心的黑洞)中發現了日冕。
新發現的第一作者、位於阿拉巴馬州亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的博士後研究員琳妮-薩德(Lynnie Saade)說:”科學家們長期以來一直在猜測日冕的構成和幾何形狀。
IXPE 專注於X射線偏振,這種光的特性有助於繪製最強大能量源的形狀和結構圖,即使物體太小、太亮或太遙遠而無法直接看到,也能照亮它們的內部運作。 就像我們可以在日全食期間安全地觀測太陽的日冕一樣,IXPE 提供了清晰研究黑洞吸積幾何的方法,或者說是研究其吸積盤和相關結構(包括日冕)的形狀和結構的方法。
“X射線偏振為研究黑洞吸積幾何提供了一種新方法,”Saade說。 “如果黑洞的吸積幾何形狀與質量無關,那麼我們希望它們的偏振特性也是如此。”
IXPE 證明,在所有可以透過偏振直接測量日冕特性的黑洞中,日冕的延伸方向與吸積盤的延伸方向相同–這首次提供了日冕形狀的線索,以及日冕與吸積盤關係的明確證據。 研究結果排除了日冕形狀像盤上盤旋的燈柱的可能性;
研究團隊研究了IXPE觀測到的12個黑洞的數據,其中包括天鵝座X-1和天鵝座X-3,它們分別是距離地球約7000和37000光年的恆星質量雙黑洞系統,以及LMC X- 1和LMC X-3,它們是距離地球165,000多光年的大麥哲倫雲中的恆星質量黑洞。 IXPE 也觀測到一些超大質量黑洞,包括位於距離地球1300 萬光年的Circinus 星系中心的黑洞,以及分別位於4700 萬光年和近6200 萬光年的NGC 1068 和NGC 4151 星系中的黑洞。
恆星質量黑洞的質量通常大約是地球太陽的10 到30 倍,而超大質量黑洞的質量可能要大幾百萬到幾百億倍。 儘管在規模上存在這些巨大的差異,IXPE 的數據表明這兩種類型的黑洞都會產生幾何形狀相似的吸積盤。
IXPE任務的首席研究員、馬歇爾天文物理學家菲利普-卡雷特(Philip Kaaret)說,這令人驚訝,因為這兩種類型的黑洞的吸積方式完全不同。他說:”恆星質量黑洞從伴星中撕裂質量,而超大質量黑洞則吞噬周圍的一切。然而,吸積機制的運作方式大致相同。”這是一個令人興奮的前景,因為這表明對恆星質量黑洞的研究–通常比它們質量大得多的表親更接近地球–也有助於揭示超大質量黑洞的新特性。
研究小組接下來希望對這兩種類型的黑洞進行更多的研究。
從這些龐然大物的X射線研究中還能發現更多。她說:”IXPE為X射線天文學揭示黑洞吸積的基本過程和揭示有關黑洞的新發現提供了長期以來的第一次機會。”
完整的研究結果發表在最新一期《天文物理學報》(Astrophysical Journal)。
編譯自/ SciTechDaily