中子星吸积盘风暴已经被破译！

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230410111703.htm

吸积盘（accretion disk）就像一个由气体和尘埃组成的巨大漩涡。它又像“棉花糖”一样，聚集在黑洞或中子星的周围，吸走它们（伴星上）的物质。当吸积盘旋转时，它会拉扯庞大的旋转等离子体，掀起一阵“强风”。这些大规模的物质流出会通过如加热、吹走黑洞周围的气体和尘埃等多种方式来影响黑洞的周围环境。

黑洞积吸盘示意图。图片来源: Ryoji Matsumoto.

麻省理工学院的天文学家绘制了与武仙X-1周围吸积盘的示意图：一颗中子星正在从一颗类似太阳的恒星（蓝绿色球体）上吸取物质。这些发现可能为超大质量黑洞如何塑造整个星系提供线索。

图片来源: Jose-Luis Olivares, MIT. D. Klochkov, European Space Agency.

从宏观的角度来讲，“吸积盘风”可以为我们提供关于超大质量的黑洞是如何塑造整个星系的线索。事实上，天文学家在许多星系中观察到了吸积盘风现象，其中就包括着吸积黑洞和中子星！但到目前为止，我们对吸积盘风的了解还是微乎其微。

近期，麻省理工MIT的天文学家在武仙X-1（Her X-1, 4U1656+35）中观察到了范围更大的吸积盘风。武仙X-1是一个双星系统，在1971年首次被人类历史上第一颗X射线天文卫星（Uhuru）发现。在武仙X-1中，一颗中子星正在不断的从类太阳恒星中吸取物质。有趣的是，这颗中子星的吸积盘是独一无二的，因为它在自转时会“摆动”。正是通过武仙X-1特殊的摆动现象，天文学家首次捕捉到了吸积盘的不同视角，并绘制了吸积盘风的二维视图。

新视图揭示了吸积盘风的垂直结构：在吸积盘旋转的较温和的一端，其速度大约在每秒数百公里左右。

吸积盘风特性的二维视图

如果在未来天文学家能够持续发现更多有摆动现象的星系，他们很可能确定吸积盘风如何影响恒星系统，甚至整个星系的形成和演化过程。

来自麻省理工科维理理论物理研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的博士后彼得·科塞克说：“未来，我们计划绘制更多类似的视图，并确定吸积盘风是如何随着其他因素所变化的。例如：黑洞的质量或吸积物质的质量。这将会帮助我们更好的理解黑洞和中子星是如何影响宇宙的！”

瞄准目标！

吸积盘在X射线双星星系中可谓是非常非常常见。因为在X射线双星星系中，黑洞或中子星源源不断的从密度较低的物体中提取物质，并且吸积盘的形成总是在不断发生。目前，我们尚不清楚吸积盘风的具体机理，但一些理论认为，磁场可以撕裂磁盘，并将一些物质以风向外射出。也有其他学者猜测中子星的辐射可以在炽热的吸积盘风中被加热，最终蒸发吸积盘的表面。

看到这里，你可能会想，吸积盘风起源的线索为什么不可以从其结构中推断出来呢？其实这个方法有一个很大的问题：吸积盘风的形状和范围一直很难确定。大多数双星产生的吸积盘形状都相对均匀，就像在一个平面内旋转的气体薄圆环。而天文学家是从遥远的卫星或望远镜上研究这些圆盘，相对于旋转的圆盘，只能在固定而狭窄的范围内观察到吸积盘。因此，我们能够探测到的任何吸积盘都只是其较大结构中小小的一部分。

科塞克指出：“我们只能在一个点上探测吸积盘风，而我们对该点周围的一切都一无所知。”

然而，在2020年，科塞克和他的同事们意识到一个双星星系的特性其实可以提供更广阔的吸积盘风视图。他们将目标锁定到了武仙X-1，武仙X-1扭曲的吸积盘从大多数已知的X射线双星中脱颖而出。

科塞克解释道：“武仙X-1的吸积盘每35天就会随着时间的推移而摆动一次。它的吸积盘风起源于圆盘的某个地方，并随着时间的流逝在圆盘上方不同的高度穿过我们的视线。这是武仙X-1的最大的特点。”

武仙X-1的震动

在这项新的研究中，研究人员使用了两台X射线望远镜：欧洲航天局的XMM牛顿望远镜和NASA的钱德拉天文台观测了武仙X-1。

科塞克说：“我们测量的是X射线光谱，也就是到达探测器的X射线光子的数量与其能量的比值。根据不同的强度比，我们可以确定吸积盘风中的温度、速度和等离子体量。”

通过武仙X-1扭曲的吸积盘，天文学家能够看到吸积盘在摆动和旋转时上下移动的线条。这样，研究人员可以观察到吸积盘风相对于吸积盘高度上的变化，而不是仅仅在均匀旋转的吸积盘上方看吸积盘风固定的高度。

通过测量吸积盘随时间摆动和旋转时的X射线，研究人员可以扫描不同高度的吸积盘风相对于吸积盘的温度和密度，并构建吸积盘风垂直结构的二维图。

科塞克向NASA分享：“我们目前观测到了，当吸积盘在太空中膨胀时，吸积盘风会从吸积盘上方升起，与吸积盘成大约12度的角度。随着吸积盘风的温度变得越来越低，它会开始凝结，并且射线强度变得更弱。”

科塞克和团队计划将他们的观测结果与各种电离扭曲风理论进行比较，最终确定到底是哪种机制最能解释吸积盘风的起源。同时，他们也希望发现更多像武仙X-1一样会“摆动”的星系，并绘制出它们的吸积盘风结构图。然后，科学家们可以更广泛地了解吸积盘风，以及这种外流如何影响周围环境。

“如果你问，超大质量黑洞是如何影响星系的形状和结构的？”麻省理工的艾琳·卡拉教授说：“那还要从吸积盘风说起。从黑洞发射的吸积盘风会影响星系的外观。现在，有了武仙X-1的数据，我们可以更详细地了解这些吸积盘风是如何被产生的，以及它们的影响。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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环绕太阳的彩虹

今天照片里的日晕拍摄于意大利北部的多洛米蒂山脉安特莫亚湖之上。当日光穿过悬浮在大气层中的冰晶时，会形成日晕，而当这些冰晶的棱镜效应将日光分成不同的颜色频率，就产生了彩色的日晕，和彩虹的原理一样。

图源：Walter Donega/Getty Images

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