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巨型黑洞的 “洞冕” 短期发生剧变

2020-07-24 09:49:28  来源:DeepTech深科技

近日,根据一篇发表于《天体物理学快报》上的论文,麻省理工学院(MIT)和智利 Diego Portales 大学的天文学家确认,已首次观测到了一个超大质量黑洞的 “洞冕” 在一年时间里的强度突变,这在人类的天文观测史上可谓是前所未有的事件。这里,“洞冕”指黑洞视界附近由高能粒子所构成的一个发光的环,温度可达 10 亿摄氏度(我们的太阳也有类似的日冕)。

目前,研究人员认为,这一距地球约一亿光年处所发生的事件,很可能是由黑洞的 “洞冕” 被某种事件所摧毁造成,虽然根据当前已有的理论,该事件由吞噬恒星导致的概率较大,因平衡被打破会导致黑洞附近的所有物体都突然坠入黑洞,包括视界周围的高能粒子。

而随着洞冕消失,此次所被观测的黑洞又逐渐开始将边缘的物质拉至中间,并形成漩涡形的吸积盘,放出高能 X 射线,而新的洞冕则在短短几个月的时间里就可形成。

研究论文主要作者,MIT 的物理学助理教授 Erin Kara 表示,按理来说,这种级别的洞冕强度变化应该在以数百万年论的时间跨度上才能发生,但此次观测到的洞冕则在一年内衰减了一万倍,然后又在 8 小时内回升了 100 倍,确实很令人难以置信,而且,这应该是人类首次观测到洞冕先 “消失” 再“重现”的情况。研究这一过程,对科学家 “了解黑洞的洞冕是如何逐渐升温并获取能量” 来说意义非凡。

发现的过程

2018 年 3 月,全星域超新星探测计划(ASSASN)发现了一个名为 1ES 1927 + 654 的活动星系核(AGN)所发出的闪光,虽然该天体所发出的光的亮度为正常值的 40 倍左右,但它起初并没有引起天文学家们的注意。

Erin Kara 说:“一开始,我们以为这就只是个普通的 AGN,但后来它突然变亮,而我们也由此才将更多的望远镜对准了它。”

根据论文,此次的研究使用了多个望远镜设备对该 AGN 的 X 射线和紫外线波段信息进行了观测,而其中值得一提的是一台由 MIT 设计和制造的小型 X 射线望远镜 NICER。NICER 被安置在国际空间站上,可以被用来快速地对观测对象进行观测,然后立马投入对下个天体的观测任务,进而为天文学家们高效地产出高频的观测数据。

Erin Kara 说:“记得当时,借助高频的观测信息,我们得以密切监测该 AGN 的各项指数变化,但该黑洞洞冕的强度曾有一段时间减到‘不可被检测到’的水平,这种情况我们前所未见。”

成因的猜想

当前,天文学家们还并不知道黑洞视界周围的洞冕是如何产生的,但目前一些初步的猜测认为,这与贯穿黑洞吸积盘的磁场线结构有关。相关猜测认为,越接近黑洞吸积盘的外侧,磁场线的分布结构越简单,而越接近黑洞吸积盘的内侧,磁场线分布越复杂(扭曲和断掉及重连,原因是越接近内侧能量越大),而吸积盘内部的强磁场则有可能会导致黑洞附近的粒子旋转,并加速至能放出 X 射线的水平,然后再借助这些粒子能形成黑洞的洞冕。

目前,Kara 与同事认为,黑洞吞噬附近恒星的行为可能会造成这一问题,恒星会先被黑洞的引力撕碎,然后它的碎片会被吸附至黑洞,导致洞冕的亮度发生 “时强时弱” 的闪烁,而距黑洞中心,位于一个 “潮汐干扰半径” 距离内的物质则会落入黑洞,是黑洞的磁场线不堪重负进而失去维持洞冕的能力。

Kara 认为,如果此次观测到的事件确由黑洞吞噬恒星造成,且假如黑洞的主要行为全部发生在 “潮汐干扰半径” 内,根据黑洞的质量,我们便可推算出支撑洞冕的磁场结构必须位于该半径内的结论,也就是该半径内的磁场是造成洞冕出现的原因。

根据推算,如果上述情况属实,则在一个与此次观测对象质量水平类似的黑洞中,其洞冕将能在约 7500 万公里的距离内活动,对理论作出限制。

Kara 表示:“目前该黑洞的洞冕强度虽已大不如以前,但我们仍能凭借该黑洞所发出的高能 X 射线对其进行观测。而我们当前也仍在对其进行观测,因为如果该黑洞的洞冕的强度会再一次在短时间内发生突变,我可不想错过它。”

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