美國(guó)國(guó)家航空航天局的IXPE詳細(xì)描述了新發(fā)現(xiàn)黑洞的結(jié)構(gòu)形狀 _美國(guó)

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（貝絲·里奇韋）：美國(guó)國(guó)家航空航天局的IXPE（成像X射線偏振探測(cè)器）幫助天文學(xué)家更好地了解了黑洞所必需的結(jié)構(gòu)的形狀，特別是圍繞它旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤和被稱為日冕的移動(dòng)等離子體區(qū)域。
恒星質(zhì)量黑洞是Swift J1727.8-1613雙星系統(tǒng)的一部分，于2023年夏天在一次不尋常的增亮事件中被發(fā)現(xiàn)，這一事件曾短暫地使它的亮度超過了幾乎所有其他X射線源。這是IXPE在經(jīng)歷像這樣的X射線爆發(fā)的開始、峰值和結(jié)束時(shí)首次觀測(cè)到的此類事件。

這幅圖顯示了美國(guó)國(guó)家航空航天局的成像X射線偏振測(cè)量探測(cè)器（IXPE）航天器，位于左下角，從遠(yuǎn)處觀察新發(fā)現(xiàn)的雙星系統(tǒng)Swift J1727.8-1613 。中心是一個(gè)黑洞，周圍是一個(gè)吸積盤，顯示為黃色和橙色，以及一個(gè)熱的、移動(dòng)的日冕，顯示為藍(lán)色。黑洞正在從其伴星中吸出氣體，在黑洞后面看到的是一個(gè)紅色球體。快速移動(dòng)的過熱粒子從黑洞的兩極噴出。圖片來源：Marie Novotná
Swift J1727是《天體物理學(xué)雜志》和《天文學(xué)與天體物理學(xué)》上發(fā)表的一系列新研究的主題。科學(xué)家們表示，這些發(fā)現(xiàn)為黑洞X射線雙星系統(tǒng)的行為和演化提供了新的見解。
芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的天體物理學(xué)家Alexandra Veledina說：“這次爆發(fā)發(fā)展得非常快。” 。“從我們第一次探測(cè)到爆發(fā)開始，Swift J1727只花了幾天時(shí)間就達(dá)到了峰值。到那時(shí)，IXPE和許多其他望遠(yuǎn)鏡和儀器已經(jīng)在收集數(shù)據(jù) 。在爆發(fā)恢復(fù)不活動(dòng)的過程中一直觀察到爆發(fā)令人興奮。”
直到2023年底，Swift J1727短暫地保持比蟹狀星云更亮，蟹狀星云是用于提供X射線亮度單位基線的標(biāo)準(zhǔn)X射線“蠟燭” 。這種爆發(fā)在雙星系統(tǒng)中并不罕見，但很少發(fā)生在如此明亮和離家如此近的地方——距離地球只有8800光年。該雙星系統(tǒng)是為了紀(jì)念斯威夫特伽馬射線爆發(fā)任務(wù)而命名的，該任務(wù)最初于2023年8月24日用其爆發(fā)警報(bào)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到爆發(fā)，從而發(fā)現(xiàn)了黑洞。
X射線雙星系統(tǒng)通常包括兩顆處于不同生命周期階段的近距離恒星。當(dāng)老恒星耗盡燃料時(shí)，它會(huì)爆炸成超新星，留下中子星、白矮星或黑洞。在Swift J1727的例子中，由此產(chǎn)生的黑洞的強(qiáng)大引力從其伴星上剝離了物質(zhì)，將物質(zhì)加熱到180多萬華氏度，并產(chǎn)生了大量的X射線。這種物質(zhì)形成了一個(gè)吸積盤，可以包括一個(gè)過熱的日冕。在黑洞的兩極，物質(zhì)也可以以相對(duì)論射流的形式從雙星系統(tǒng)中逃逸。
IXPE幫助美國(guó)國(guó)家航空航天局和研究人員研究了所有這些現(xiàn)象，專門研究X射線偏振，這是一種光的特性，有助于繪制這種超強(qiáng)能源的形狀和結(jié)構(gòu)，即使它們離我們太遠(yuǎn)而無法直接看到，也能照亮它們的內(nèi)部運(yùn)作。
美國(guó)國(guó)家航空航天局天體物理學(xué)家亞歷山德拉·維勒迪納：“因?yàn)楣獗旧頍o法逃脫它們的引力，所以我們看不到黑洞。我們只能觀察周圍發(fā)生的事情，并對(duì)那里發(fā)生的機(jī)制和過程得出結(jié)論。IXPE對(duì)這項(xiàng)工作至關(guān)重要。”
“因?yàn)楣獗旧頍o法逃脫它們的引力，所以我們看不到黑洞，”Veledina說。“我們只能觀察它們周圍發(fā)生的事情，并對(duì)那里發(fā)生的機(jī)制和過程得出結(jié)論。IXPE對(duì)這項(xiàng)工作至關(guān)重要。”
由Veledina和英格蘭泰恩河畔紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究員Adam Ingram領(lǐng)導(dǎo)的兩項(xiàng)基于IXPE的Swift J1727研究側(cè)重于爆發(fā)的第一階段。在源變得異常明亮的短短幾個(gè)月內(nèi) ，日冕是觀測(cè)到的X射線輻射的主要來源。
Veledina說：“IXPE記錄了沿黑洞射流估計(jì)方向傳播的X射線輻射的偏振，因此熱等離子體在吸積盤平面內(nèi)延伸。” 。“在持續(xù)存在的黑洞雙星天鵝座X-1中也報(bào)告了類似的發(fā)現(xiàn)，因此這一發(fā)現(xiàn)有助于驗(yàn)證短壽命爆發(fā)系統(tǒng)的幾何形狀是相同的。”
該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)了Swift J1727峰值爆發(fā)期間極化值的變化。這些結(jié)論與電磁輻射其他能帶研究中同時(shí)獲得的發(fā)現(xiàn)相吻合。
由布拉格捷克科學(xué)院的研究人員JiříSvoboda和Jakub Podgorný領(lǐng)導(dǎo)的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)研究側(cè)重于Swift J1727爆發(fā)第二部分的X射線偏振，并在幾個(gè)月后恢復(fù)到高能狀態(tài) 。由于波德戈尼之前使用IXPE數(shù)據(jù)和黑洞模擬的努力，他最近獲得了捷克共和國(guó)自然科學(xué)博士論文最高國(guó)家獎(jiǎng) 。
極化數(shù)據(jù)表明，日冕的幾何形狀在爆發(fā)的開始和結(jié)束之間沒有顯著變化，盡管該系統(tǒng)在此期間發(fā)生了演變，X射線亮度在后期的能量狀態(tài)下急劇下降。
這些結(jié)果標(biāo)志著我們?cè)诶斫馕e盤、日冕和黑洞相關(guān)結(jié)構(gòu)的變化形狀和結(jié)構(gòu)方面邁出了重要的一步。這項(xiàng)研究還展示了IXPE作為確定系統(tǒng)所有這些元素如何連接的工具的價(jià)值，以及它與其他天文臺(tái)合作監(jiān)測(cè)宇宙突然、劇烈變化的潛力。
“需要對(duì)雙星系統(tǒng)中黑洞附近的物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的觀測(cè)，但Swift J1727.8-1613在不同狀態(tài)下的首次成功觀測(cè)活動(dòng)是我們可以想象的新篇章的最佳開端，”該系列論文的合著者、IXPE恒星質(zhì)量黑洞工作組組長(zhǎng)Michal Dovčiak說，他也在捷克科學(xué)院進(jìn)行研究。
關(guān)于IXPE
IXPE繼續(xù)提供前所未有的數(shù)據(jù)，使人們能夠?qū)τ钪嬷械奶祗w進(jìn)行突破性的發(fā)現(xiàn)，這是美國(guó)國(guó)家航空航天局和意大利航天局與12個(gè)國(guó)家的合作伙伴和科學(xué)合作者的聯(lián)合任務(wù) 。IXPE由位于阿拉巴馬州亨茨維爾的美國(guó)國(guó)家航空航天局馬歇爾太空飛行中心領(lǐng)導(dǎo) 。Ball Aerospace總部位于科羅拉多州布魯姆菲爾德，與科羅拉多大學(xué)博爾德分校的大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室共同管理航天器運(yùn)營(yíng) 。