NASA的NICER任务测绘新黑洞“光回波”

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在这个新发现黑洞（MAXI J1820 + 070）的插图中，，一个黑洞将物质从相邻的恒星中拉进吸积盘，盘上方是称为日冕的亚原子粒子区域。 [原文来自：www.11jj.com]

Credit:：Aurore Simonnet和NASA的戈达德太空飞行中心

科学家们利用国际空间站上的NASA中子星内部构成探测器（Neutron star Interior Composition Explorer，NICER）绘制了一个恒星质量黑洞（stellar-mass black hole，其质量是太阳质量的10倍）的周围环境。随着最近发现的黑洞MAXI J1820 + 070（简称J1820）消耗其伴星的物质，NICER检测到来自它的X射线。X射线波形成了“光回波”，从黑洞附近的旋转气体中反射出来，揭示了黑洞周围环境大小和形状的变化。

马里兰大学帕克分校和戈达德太空飞行中心的天体物理学家Erin Kara在于西雅图举行的第233届美国天文学会会议上介绍了研究结果，“NICER让我们能够测量比以往任何时候都更接近恒星质量黑洞的光回波。以前，这些内部吸积盘上（inner accretion disk）的光回波只能在超大质量黑洞（supermassive black holes）中看到，这些黑洞是数百万到数十亿的太阳质量，经历了缓慢的变化。像J1820这样的恒星黑洞具有更低的质量和更快的演化，因此我们可以看到人类时间尺度上的变化。“

由Kara领导的一篇描述调查结果的论文发表在1月10日的“自然”杂志上，可在线获取。

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观看NASA中子星内部构成探测器（NICER）绘制的X射线回波如何显示黑洞MAXI J1820 + 070的日冕变化。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center

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J1820距离狮子座约10000光年远。该系统中的伴星在欧洲航天局（ESA）盖亚任务的观测中得到了确认，研究人员也从中得到其距离估计。直到2018年3月11日，空间站上..宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency）的全天空X射线成像监视器（MAXI）发现了爆发，天文学家才未意识到黑洞的存在。几天之内，J1820从一个完全未知的黑洞变成了X射线天空中最明亮的光源之一。 NICER迅速采取行动，捕捉这一戏剧性的过渡，并继续观测爆发消退的尾迹。

“NICER设计的灵敏度足以研究中子星（昏暗且密度极大），”戈达德NICER的科学负责人、该论文的共同作者Zaven Arzoumanian说，“我们很高兴看到它在研究这些X射线很强的恒星质量黑洞时的实用性。”

黑洞可以将附近伴星的气体吸入吸积盘（即黑洞周围的盘状结构）。重力和磁力将吸积盘加热到数百万度，使其足够热以在内部靠近黑洞的地方产生X射线。当盘中的不稳定导致大量气体向内移动（像雪崩一样）时，就会发生爆发（outbursts）。造成其不稳定的原因并没有被研究透彻。

盘面上方是日冕（corona），一个大约10亿摄氏度的亚原子粒子区域，发出高能X射线。关于日冕的起源和演变仍然存在许多谜团。一些理论认为这个结构可以代表这些类型系统经常发生的高速粒子喷射的早期形式。

天体物理学家希望更好地了解（随着黑洞从其伴星中吸收物质）吸积盘的内缘和其上方的日冕在大小和形状上的变化。如果他们能够理解这些恒星质量黑洞中数周的变化为什么发生以及如何发生，科学家们就可以进一步了解超大质量黑洞如何在数百万年内演化，以及它们如何影响它们所居住的星系。

用于记录这些变化的一种方法被称为X射线反响映射（reverberation mapping），它用X射线反射，与声纳使用声波绘制海底地形的方式大致相同。来自日冕的一些X射线直接朝向我们，而其他的则照射吸积盘并以不同的能量和角度反射回来。

超大质量黑洞的X射线反响映射表明，吸积盘的内缘非常接近事件视界（event horizon，进去就回不来了）。日冕也很紧凑，靠近黑洞，而不是在吸积盘上方。但是，先前对恒星黑洞的X射线回波的观测表明，吸积盘的内边缘可能离黑洞相当远，达到事件视界大小的数百倍。如此看来，恒星质量的J1820表现得更像它的表兄弟——超大质量黑洞。

当他们检查了NICER对J1820的观测，Kara的团队发现直接来自日冕的X射线的耀斑（flare）与吸积盘上的耀斑回声之间的延迟（或滞后时间）的减少，表明X射线被反射之前行进的距离越来越短。从1万光年外，他们估计日冕从大约160公里垂直收缩到10公里，这就像看到蓝莓大小的东西在冥王星距离外缩到罂粟种子的大小。

“这是我们次看到这种证据表明日冕在爆发演变的特定阶段正在萎缩，”共同作者、麻省理工学院（MIT）卡夫利天体物理与空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的天体物理学家Jack Steiner说，“日冕仍然很神秘，我们仍然不够理解它的本质。但我们现在有证据表明系统中正在演化的东西是日冕本身的结构。“

为了确认减少的滞后时间是由于日冕而不是吸积盘的变化，研究人员使用了一个信号，称为铁K线（iron K line），当日冕的X射线与吸积盘中的铁原子碰撞时，会产生荧光。如爱因斯坦的相对论所述，时间在较强的引力场和较高的速度下运行较慢。当最接近黑洞的铁原子被来自日冕核心的光击中时，它们发出的X射线波长会因为时间比观察者（在这种情况下即NICER）的移动速度慢而拉长。

Kara的团队发现J1820拉伸的铁K线保持不变，这意味着吸积盘的内边缘仍然靠近黑洞（类似于超大质量黑洞）。如果减小的滞后时间是由于盘的内边缘进一步向内移动引起的，那么铁K线会被拉的更长。

这些观察结果为科学家提供了有关物质是如何进入黑洞以及如何在此过程中释放能量的新见解。

NICER仪器安装在国际空间站上，由高清外置摄像头于2018年10月22日拍摄。

Credits: NASA

“NICER对J1820的观测为我们提供了一些关于恒星质量黑洞的新观点，包括我们如何将它们用作研究超大质量黑洞及其对星系形成的影响，”共同作者、阿姆斯特丹大学天体物理学家Philip Uttley说，“我们在NICER运作年看到过四次类似的事件，这非常了不起。感觉我们处于X射线天文学巨大突破的边缘。“

NICER是NASA探索者计划中的一项天体物理任务，该计划利用太阳物理学和天体物理学领域内的创新、简化和高效的管理方法，为的科学研究提供频繁的飞行机会。NASA的太空技术任务理事会支持该任务的SEXTANT（Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology）组成部分，该部分展示基于脉冲星的航天器导航。

参考

[1]:https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-nicer-mission-maps-light-echoes-of-new-black-hole