“‘慧眼’衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，黑洞和中子星附近的物質(zhì)發(fā)出的幾十到上百千電子伏特能區(qū)的高能X射線存在強(qiáng)度的準(zhǔn)周期變化，這是以前所有的天文望遠(yuǎn)鏡都沒(méi)有看到的。” 中科院高能物理研究所研究員、“慧眼”衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷總設(shè)計(jì)師盧方軍介紹。

“慧眼”——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(Insight-HXMT)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星。在軌運(yùn)行兩年多以來(lái)，“慧眼”開(kāi)展了各類觀測(cè)1000余次，已在國(guó)際主流天體物理雜志上發(fā)表(含接受)科學(xué)論文10余篇。

此前，“慧眼”衛(wèi)星成功監(jiān)測(cè)雙中子星并合引力波事件電磁對(duì)應(yīng)體和完成脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)的成果已經(jīng)先后發(fā)布。10月26日開(kāi)幕的第一屆中國(guó)空間科學(xué)大會(huì)期間，“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)發(fā)布了“慧眼”衛(wèi)星對(duì)X射線雙星的系列觀測(cè)結(jié)果。

開(kāi)啟研究黑洞系統(tǒng)新窗口

X射線雙星是由黑洞或中子星與一個(gè)正常恒星組成的雙星系統(tǒng)，正常恒星的物質(zhì)在強(qiáng)引力作用下落向黑洞或中子星，形成圍繞黑洞和中子星高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)盤(吸積盤)，并發(fā)出強(qiáng)烈的X射線輻射。

X射線雙星的快速光變和能譜是研究強(qiáng)引力場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)，以及物質(zhì)在強(qiáng)引力場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和輻射過(guò)程的主要探針。在軌期間，“慧眼”衛(wèi)星對(duì)黑洞、中子星X射線雙星進(jìn)行了高精度、高頻度的定點(diǎn)觀測(cè)，

“‘慧眼’發(fā)現(xiàn)黑洞系統(tǒng)中迄今最高能量的準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，開(kāi)啟了研究黑洞系統(tǒng)的新窗口，使得人類可以研究非?？拷诙椿蛑凶有堑奈镔|(zhì)的運(yùn)動(dòng)和輻射過(guò)程。”盧方軍介紹。

準(zhǔn)周期振蕩(QPO)，即天體的流強(qiáng)在某個(gè)中心頻率附近以多種頻率變化的現(xiàn)象，是黑洞X射線雙星系統(tǒng)的主要光變特征。其起源有多個(gè)理論模型，不但涉及到輻射區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)、物質(zhì)狀態(tài)和輻射機(jī)制，也是驗(yàn)證廣義相對(duì)論的重要預(yù)言“時(shí)空拖曳效應(yīng)”的主要觀測(cè)依據(jù)之一。

“慧眼”衛(wèi)星將黑洞系統(tǒng)準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象研究的最高能量從以往的30keV提高到100keV，強(qiáng)烈支持QPO信號(hào)的非熱輻射起源，說(shuō)明黑洞臨近區(qū)域以非熱高能物理過(guò)程為主。

對(duì)流行的千赫茲

QPO模型提出挑戰(zhàn)

“慧眼”衛(wèi)星在中子星X射線雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了最高能量的千赫茲準(zhǔn)周期振蕩(QPO)，對(duì)廣為認(rèn)可的千赫茲QPO起源模型提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

天蝎座X-1(Sco X-1)是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)宇宙X射線天體，也是除太陽(yáng)外天空中最亮的X射線源。

上個(gè)世紀(jì)末的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，Sco X-1存在中心頻率在千赫茲附近的QPO現(xiàn)象。雖然經(jīng)過(guò)了20多年的觀測(cè)和研究，其起源仍無(wú)定論，最流行的模型認(rèn)為這對(duì)應(yīng)于圍繞中子星高速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(吸積盤)內(nèi)邊緣的不穩(wěn)定性，中心頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相當(dāng)。

慧眼衛(wèi)星首次在20 keV以上的能區(qū)觀測(cè)到Sco X-1的千赫茲QPO，由于吸積盤的輻射以熱輻射為主，光子能量難以到達(dá)這么高的能量，慧眼的觀測(cè)結(jié)果對(duì)流行的千赫茲QPO模型提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

首次驗(yàn)證關(guān)于光的

輻射壓導(dǎo)致

吸積盤結(jié)構(gòu)突變的理論

Swift J0243.6+6124是銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超亮X射線源。其光度極高，導(dǎo)致大部分望遠(yuǎn)鏡被“亮瞎眼”，無(wú)法展開(kāi)觀測(cè)。

“‘慧眼’對(duì)其進(jìn)行了國(guó)際上最為全面的觀測(cè)，使我們能系統(tǒng)地研究其時(shí)變和能譜的演化。我們發(fā)現(xiàn)在特定X射線光度時(shí)，X射線脈沖輪廓(亮度的周期性變化曲線)兩次發(fā)生突變，這是天文學(xué)家首次在中子星X射線雙星系統(tǒng)中觀測(cè)到脈沖輪廓隨著光度增加相繼突變兩次的現(xiàn)象。”盧方軍介紹。

“慧眼”的觀測(cè)結(jié)果表明，脈沖輪廓在低光度時(shí)的突變，是由于吸積物質(zhì)在中子星表面上的分布形狀變化引起的：當(dāng)光度較低時(shí)，吸積物質(zhì)像土丘一樣;而光度較高時(shí)，由于輻射壓的影響，會(huì)形成吸積柱，導(dǎo)致脈沖輪廓變化。當(dāng)光度進(jìn)一步升高，吸積盤由氣壓主導(dǎo)變?yōu)楣獾妮椛鋲褐鲗?dǎo)，并從一個(gè)薄盤膨脹為厚盤，導(dǎo)致了功率譜的變化。

這一觀測(cè)首次驗(yàn)證了半個(gè)多世紀(jì)前提出的吸積理論。但是，脈沖輪廓為何兩次突變，仍然是一個(gè)謎。

為吸積物理研究

提供新“探針”

當(dāng)中子星從伴星吸積的物質(zhì)足夠多時(shí)，會(huì)發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，發(fā)出大量低能X射線(能量大多低于1keV)。這些X射線光子會(huì)與籠罩在中子星周圍、溫度高達(dá)幾億度的高溫電子冕發(fā)生碰撞并降低電子的溫度。

“慧眼”首次觀測(cè)到中子星表面單個(gè)熱核暴的X射線光子“陣雨”對(duì)溫度高達(dá)幾億度高溫電子冕的快速冷卻現(xiàn)象，為研究高溫電子冕的輻射和形成機(jī)制提供了“獨(dú)門”探針。

這一觀測(cè)現(xiàn)象最初由項(xiàng)目組利用美國(guó)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)需要累積十個(gè)以上的暴才能看到顯著的信號(hào)。慧眼衛(wèi)星由于在高能X射線波段很強(qiáng)的探測(cè)能力，首次高顯著性地探測(cè)到單個(gè)熱核暴產(chǎn)生的低能X射線光子對(duì)高溫電子冕的冷卻，冕的冷卻和重新加熱在1秒左右的時(shí)間內(nèi)即能完成。

“慧眼”衛(wèi)星還發(fā)現(xiàn)中子星表面的熱核暴與圍繞中子星運(yùn)動(dòng)的吸積盤之間可能發(fā)生劇烈的相互作用。這可能提供了限制物質(zhì)盤最內(nèi)半徑的新方法。

為理解中子星提供新依據(jù)

回旋吸收線的能量直接對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)強(qiáng)度，這是目前直接測(cè)量中子星磁場(chǎng)的唯一方法。

著名的中子星X射線雙星Her X-1是首顆被觀測(cè)到回旋吸收線的中子星，然而，其回旋吸收線的能量在過(guò)去的近二十年中呈現(xiàn)緩慢的下降，是中子星物理的未解之謎。

最近幾年，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)其下降趨勢(shì)有可能停止了。“慧眼精確地觀測(cè)到了來(lái)自Her X-1的回旋吸收線，并且以超過(guò)5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的精度確定了回旋吸收線的能量不再下降，為理解中子星的性質(zhì)提供了新的觀測(cè)依據(jù)。”盧方軍介紹。

科技日?qǐng)?bào)記者 唐婷

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