一個來自南非、英國、法國和美國的國際天文學家團隊發現，距離銀河系最近的一個黑洞周圍觀測到的光亮度有很大變化，該黑洞距離地球約9600光年，他們認為這是由於吸積盤的巨大扭曲造成的。相關研究近日發表於英國《皇家天文學會月刊》。
具有扭曲盤的黑洞。圖片來源：論文作者、英國南安普頓大學五里河天文學院John Paice
這個名為MAXI J1820+070的天體在2018年3月爆發，是一種新型X射線瞬變，由國際空間站上的日本X射線望遠鏡發現。該瞬變系統呈現齣劇烈的爆發，科學家認為它們是雙星系統，由一顆類似太陽的低質量恆星和一顆更緻密的天體——白矮星、中子星或是黑洞組成。若是黑洞，研究者認為MAXI J1820+070將包含一個質量至少是太陽8倍的黑洞。
這一發現是由美國變星觀測者協會（AAVSO）的全球業餘愛好者在近一年的時間裡獲得的廣泛而詳細的光曲線得出的。MAXI J1820+070是迄今為止觀測到的三個最亮的X射線瞬變現象之一，這是由於它離地球很近，又不在銀河系的模糊平面之外。它在好幾個月里都很亮，所以才有可能有這麼多的業餘愛好者跟隨它。
南安普頓大學教授員、研究小組成員Phil Charles解釋說：“來自正常恆星的物質被緻密天體拉入其周圍的螺旋氣體吸積盤。當圓盤中的物質變熱且不穩定時，就會發生大規模的爆發，並在穿越視界之前聚集到黑洞上釋放出大量的能量。這個過程是混亂的，而且變化很大，時間尺度從毫秒到幾個月不等。”
研究團隊製作了一個可視化系統，展示了巨大的X射線輸出是如何從非常接近黑洞的地方發射出來的，然後輻射周圍的物質，特別是吸積盤，將其加熱到大約10000K的溫度，這就是發射出來的可視光。因此當X射線爆發減弱時，可見光也減弱了。
但在爆發近3個月後發生了一件科學家意料之外的事情，當時光曲線開始大幅調製——類似上下調光開關，亮度在峰值時幾乎增加了一倍，大約持續了17個小時。然而，X射線輸出沒有任何變化，仍然保持穩定。雖然在過去的X射線瞬態爆發中也曾觀測到小的准周期可見調製，但從未見過如此規模的調製。
是什麼導致了這種不尋常的行為？Charles說：“從圖中所示的系統角度來看，我們可以很快排除通常的解釋，即X射線照亮了供體恆星的內表面，因為增亮發生在錯誤的時間。也不可能是隨着調製相對於軌道逐漸移動，從質量傳遞流擊中圓盤的地方發出的光發生了變化。”
研究團隊製作了一個可視化系統，展示了巨大的X射線輸出是如何從非常接近黑洞的地方發射出來的，然後輻射周圍的物質，特別是吸積盤，將其加熱到大約10000K的溫度，這就是發射出來的可視光。因此當X射線爆發減弱時，可見光也減弱了。
但在爆發近3個月後發生了一件科學家意料之外的事情，當時光曲線開始大幅調製——類似上下調光開關，亮度在峰值時幾乎增加了一倍，大約持續了17個小時。然而，X射線輸出沒有任何變化，仍然保持穩定。雖然在過去的X射線瞬態爆發中也曾觀測到小的准周期可見調製，但從未見過如此規模的調製。
是什麼導致了這種不尋常的行為？Charles說：“從圖中所示的系統角度來看，我們可以很快排除通常的解釋，即X射線照亮了供體恆星的內表面，因為增亮發生在錯誤的時間。也不可能是隨着調製相對於軌道逐漸移動，從質量傳遞流撞擊星盤的地方發出的光發生了變化。”
這就只剩下一個可能的解釋了，巨大的X射線流照射吸積盤並導致其扭曲（如圖所示）。這種扭曲讓可被照亮的光盤區域大幅增加，從而使在一定時間內觀看到它時，視覺光能量急劇增加。這種行為曾在有更大質量供體的X射線雙星中被觀察到，但從未在像這樣有低質量供體的黑洞瞬變中看到過。作者表示，這為研究扭曲吸積盤的結構和性質開闢了一條全新的途徑。
“在一組已經很有趣的天體中，這個天體具有不同尋常特性，它們可讓我們了解很多關於恆星演化的端點和緻密天體形成的知識。”Charles說，“我們已經知道銀河系中有幾十個黑洞雙星系統，它們的質量都在太陽質量的5-15倍範圍內。它們都是通過物質的累積而生長的，我們在這裡已經看到了這種現象。”
大約從5年前開始，南非大型望遠鏡（SALT）瞬態天體的重大科學研究項目已經對緊湊雙星進行了許多重要的觀測，包括像MAXI J1820+070這樣的黑洞系統。該項目首席研究員南非天文台的David Buckley則表示：“SALT是研究這些X射線雙星在爆發期間變化行為的完美工具，它可以定期監測幾周到幾個月，並可以與其他望遠鏡的觀測相協調，包括太空望遠鏡。”
相關論文信息：
https：//doi.org/10.1093/mnras/stab3033
本文轉自中國科學報