NASA的IXPE X射线探测器揭开黑洞的隐藏层次

美国国家航空航天局（NASA）的IXPE任务提供了有关黑洞冠状面的新见解，揭示了它们的形状，加深了我们对其结构的理解。这些数据来自对恒星质量黑洞和超大质量黑洞的观测，表明无论黑洞的大小如何，吸积盘的几何形状都是相似的。

这幅关于黑洞周围物质漩涡的插图突出了一个被称为"日冕"的特殊特征，它在 X 射线光下闪闪发光。 在这幅图中，可以看到日冕是漂浮在底层吸积盘上方的紫色雾气，并稍稍向其内边缘延伸。 内部吸积盘内的物质温度极高，会发出刺眼的蓝白光，但这里的亮度被降低了，以使日冕更加突出，对比度更高。 紫色纯属说明性颜色，代表在可见光下并不明显的 X 射线光芒。 圆盘上的翘曲真实地再现了黑洞巨大的引力如何像光学透镜一样，扭曲了我们对环绕它的扁平圆盘的观察。 图片来源：NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt

美国国家航空航天局的IXPE（成像X射线极坐标探测器）任务的新发现为我们提供了前所未有的关于黑洞日冕形状和性质的洞察力。 日冕是环绕黑洞的高温、不断变化的等离子体区域，物质在这里向内流动。 到目前为止，科学家们对这种结构的外观还只有理论上的认识。 这些新发现首次揭示了日冕的形状，为了解日冕如何帮助黑洞哺育和维持黑洞提供了线索。

黑洞因其巨大的引力而闻名，甚至连光都无法逃脱，黑洞周围往往环绕着吸积盘--旋转的、充满碎片的气体盘。 有些黑洞还会产生相对论喷流，当黑洞主动从周围吸入物质时，强大的物质流会以难以置信的速度喷射到太空中。

许多黑洞之所以被命名为黑洞，是因为连光都无法逃脱它们的巨大引力，黑洞的周围有吸积盘，即由碎片组成的气体漩涡。 有些黑洞还有相对论喷流--黑洞以超强的爆发力将物质高速抛向太空，主动吞噬周围的物质。

也许鲜为人知的是，"吃零食"的黑洞与地球上的太阳和其他恒星一样，也拥有一个高热的日冕。 太阳的日冕是恒星最外层的大气，其燃烧温度大约为 180 万度华氏，而黑洞日冕的温度估计为数十亿度。天体物理学家以前曾在恒星质量黑洞（恒星坍缩形成的黑洞）和超大质量黑洞（如位于银河系中心的黑洞）中发现了日冕。

新发现的第一作者、位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的博士后研究员琳妮-萨德（Lynnie Saade）说："科学家们长期以来一直在猜测日冕的构成和几何形状。它是黑洞上方和下方的一个球体，还是吸积盘产生的大气层，又或者是位于喷流底部的等离子体？"

IXPE 专注于X射线偏振，这种光的特性有助于绘制最强大能量源的形状和结构图，即使物体太小、太亮或太遥远而无法直接看到，也能照亮它们的内部运作。 就像我们可以在日全食期间安全地观测太阳的日冕一样，IXPE 提供了清晰研究黑洞吸积几何的方法，或者说是研究其吸积盘和相关结构（包括日冕）的形状和结构的方法。

"X射线偏振为研究黑洞吸积几何提供了一种新方法，"Saade说。"如果黑洞的吸积几何形状与质量无关，那么我们希望它们的偏振特性也是如此。"

IXPE 证明，在所有可以通过偏振直接测量日冕特性的黑洞中，日冕的延伸方向与吸积盘的延伸方向相同--这首次提供了日冕形状的线索，以及日冕与吸积盘关系的明确证据。 研究结果排除了日冕形状像盘上盘旋的灯柱的可能性；

研究小组研究了IXPE观测到的12个黑洞的数据，其中包括天鹅座X-1和天鹅座X-3，它们分别是距离地球约7000和37000光年的恒星质量双黑洞系统，以及LMC X-1和LMC X-3，它们是距离地球165000多光年的大麦哲伦云中的恒星质量黑洞。 IXPE 还观测到一些超大质量黑洞，包括位于距离地球 1300 万光年的 Circinus 星系中心的黑洞，以及分别位于 4700 万光年和近 6200 万光年的 NGC 1068 和 NGC 4151 星系中的黑洞。

恒星质量黑洞的质量通常大约是地球太阳的 10 到 30 倍，而超大质量黑洞的质量可能要大几百万到几百亿倍。 尽管在规模上存在这些巨大的差异，IXPE 的数据表明这两种类型的黑洞都会产生几何形状相似的吸积盘。

IXPE任务的首席研究员、马歇尔天体物理学家菲利普-卡雷特（Philip Kaaret）说，这令人惊讶，因为这两种类型的黑洞的吸积方式完全不同。他说："恒星质量黑洞从伴星中撕裂质量，而超大质量黑洞则吞噬周围的一切。然而，吸积机制的运作方式大致相同。"这是一个令人兴奋的前景，因为这表明对恒星质量黑洞的研究--通常比它们质量大得多的表亲更接近地球--也有助于揭示超大质量黑洞的新特性。

研究小组接下来希望对这两种类型的黑洞进行更多的研究。

从对这些庞然大物的X射线研究中还能发现更多东西。她说："IXPE为X射线天文学揭示黑洞吸积的基本过程和揭示有关黑洞的新发现提供了长期以来的第一次机会。"

完整的研究结果发表在最新一期《天体物理学报》（Astrophysical Journal）上。

编译自/SciTechDaily