通过研究ULXs在X射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质澳门亚洲城网址,X射线双星是由黑洞或中子星与一个正常恒星组成的双星系统

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中科院上海天文台研究员安涛等研究了一个具有代表性的极亮X射线源的准周期振荡,探测到3个长时标的周期,并基于翘曲盘理论对观测现象进行了解释。相关成果发表于《天文与天体物理学》

“时频域的动态功率谱分析提供了周期成分随着时间的变化的更多细节,有助于区辨天体周期光变的物理本质。”安涛展望说,“我们现在正积极参与和推动SKA项目的进展,相信SKA的顺利建成和运行,将大大提高射电波段的探测灵敏度和分辨率。将来利用SKA对ULXs的中心黑洞进行成像观测,可以更明确地揭示ULXs的物理本质。”

科学家利用“慧眼”卫星对X射线双星系列观测取得的重要成果包括:一是将黑洞系统准周期振荡现象研究的最高能量从以往的30keV提高到100keV,强烈支持准周期振荡信号的非热辐射起源,说明黑洞临近区域以非热高能物理过程为主。准周期振荡是黑洞X射线双星系统的主要光变特征,“慧眼”卫星发现黑洞系统中迄今最高能量的准周期振荡现象,开启了研究黑洞系统的新窗口。

X射线双星是由黑洞或中子星与一个正常恒星组成的双星系统,正常恒星的物质在强引力作用下落向黑洞或中子星,形成围绕黑洞和中子星高速转动的物质盘(吸积盘),并发出强烈的X射线辐射。

目前共发现了20多颗ULXs,而NGC 5408星系中X射线波段最亮的这个名为NGC 5408
X-1的ULX有着时间跨度长达4.2年的监测数据,是最适合用于长时标准周期振荡的对象之一,这也是我们选择该源的主要原因。安涛说。

左图:NGC 5408
X-1在测试周期为2.4天至2.8天内的频域和时频域分析结果;右图:NGC 5408
X-1在测试周期为2天至300天内的频域和时频域分析结果。

三是首次观测到中子星X射线双星在流强位于特定值时吸积盘状态的突然变化,验证了光的辐射压导致吸积盘结构突变这一已提出近半个世纪的理论。

最近几年,观测发现其下降趋势有可能停止了。“慧眼精确地观测到了来自Her
X-1的回旋吸收线,并且以超过5倍标准偏差的精度确定了回旋吸收线的能量不再下降,为理解中子星的性质提供了新的观测依据。”卢方军介绍。

极亮X射线源研究获进展

该研究团队捕获到3个周期信号,分别对应的周期为2.65天、115.4天和189.1天。他们发现,周期为2.65天的成分在绝大多数时间里很连续出现并保持稳定的周期值,它还是幅度最强的周期信号;周期为189.1天的成分连续出现在整个观测时段,呈现出连续下降的趋势,从193天减小至181天,可视为一个持续的周期信号;相比之下,周期为115.4天的成分随着时间变化显著,在中间一段时间出现跳变,后面三分之一时段,该周期成分又回归到115天。

中新社北京10月26日电 (记者
孙自法)记者26日从中国科学院高能物理研究所获悉,以该所科学家为主的科研团队利用“慧眼”卫星——硬X射线调制望远镜卫星对黑洞、中子星X射线双星进行了系列高精度、高频度定点观测,最新获得“开启研究黑洞系统的新窗口”“首次观测到中子星X射线双星在流强位于特定值时吸积盘状态的突然变化”等一系列重要科研成果。

对流行的千赫兹

NGC 5408
X-1出现了两个时间长达100天以上的周期信号,而且这两个信号表现出随时间变化的不稳定性,显然无法用双星轨道周期来解释。我们认为,它们很可能与翘曲吸积盘的进动相关。安涛说。2.6天的周期成分有可能是NGC
5408
X-1双星系统的轨道周期,中等质量黑洞的可能性依然存在。这也是首次给出了该源3个周期成分并存的理论解释。

极亮X射线源(Ultraluminous X-ray sources;
ULXs)指一类X射线波段发光功率高于3*1032瓦特(相当于1秒钟释放的能量要大于1032焦耳——约20亿亿个原子弹释放的能量)的X射线点源。极亮X射线源究竟本质上是什么,一直存在争论。目前有两种较受认可的模型,抑或是一个吞噬物质很快的恒星级质量黑洞,又抑或是一个吞噬物质较慢的中等质量(相当于几千倍太阳质量)黑洞。因此,如果知道中心天体质量,就可以解决这一争论。但难点在于,ULXs都在银河系以外的星系,离我们很远,无法使用现有的望远镜看到它们的细节。

“慧眼”卫星是中国首颗X射线天文卫星,卫星于2011年立项,2017年6月成功发射,2018年1月底正式交付使用。卫星在轨运行两年多以来,开展各类观测1000余次,获得科学数据29Tb。此前,“慧眼”卫星成功监测双中子星并合引力波事件电磁对应体、完成脉冲星导航实验等成果已先后发布。(完)

上个世纪末的观测发现,Sco
X-1存在中心频率在千赫兹附近的QPO现象。虽然经过了20多年的观测和研究,其起源仍无定论,最流行的模型认为这对应于围绕中子星高速旋转的物质盘(吸积盘)内边缘的不稳定性,中心频率与旋转频率相当。

极亮X射线源指一类X射线波段发光功率高于31032瓦特的X射线点源。ULXs发出的X射线光度并不是一直不变的,会产生近似周期性的闪动,称作准周期振荡。通过研究ULXs在X射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质。

对时间序列作周期分析的常规办法是基于频域分析,就是通常所说的傅里叶变换。该工作则运用了通信领域常用的时域和频域同时分析的方法研究天体的动态功率谱。“时频域分析不仅能有效地探测出时间序列中隐藏的多个周期信号,还能提供这些周期对应的状态随时间的演化信息。”在桂林电子科技大学通信所从事信号处理研究工作的副教授王俊义说,他在该工作中负责时频域分析。

五是确定中子星X射线双星武仙座X-1的X射线回旋吸收线能量不再下降,确认X射线辐射区附近的磁场强度在经历近20年缓慢下降之后已趋于稳定,为理解中子星性质提供了新的观测依据。

“‘慧眼’对其进行了国际上最为全面的观测,使我们能系统地研究其时变和能谱的演化。我们发现在特定X射线光度时,X射线脉冲轮廓(亮度的周期性变化曲线)两次发生突变,这是天文学家首次在中子星X射线双星系统中观测到脉冲轮廓随着光度增加相继突变两次的现象。”卢方军介绍。

ULXs发出的X射线光度并不是一直不变的,会产生近似周期性的闪动,称作准周期振荡。中央黑洞物质吸积率的变化、喷流的进动或中央黑洞吸积盘的进动等会产生X射线光度的准周期振荡。其中,观测由广义相对论效应引起的、中央黑洞吸积盘最内稳定轨道上的物质进动的周期数值,可以推断出黑洞的质量。因此,通过研究ULXs在X射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质。近日,中国科学院上海天文台研究员安涛等综合运用了时域和频域分析方法研究了一个具有代表性的ULX源的准周期振荡,探测到3个长时标的周期,并基于翘曲盘理论对观测现象进行了解释。该工作已发表于国际期刊《天文与天体物理学》(Astronomy
and Astrophysics
)。

二是在人类发现的第一个宇宙X射线源天蝎座X-1中发现了迄今最高能量的千赫兹准周期振荡,说明其起源于非热高能物理过程,对当前最为流行的千赫兹准周期振荡起源模型的合理性提出严峻挑战。

“‘慧眼’发现黑洞系统中迄今最高能量的准周期振荡现象,开启了研究黑洞系统的新窗口,使得人类可以研究非常靠近黑洞或中子星的物质的运动和辐射过程。”卢方军介绍。

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第一届中国空间科学大会当天在厦门开幕,“慧眼”卫星项目团队在会上发布并解读这批成果说,X射线双星是由黑洞或中子星与一个正常恒星组成的双星系统,X射线双星的快速光变和能谱是研究强引力场、强磁场,以及物质在强引力场和强磁场下的动力学过程和辐射过程的主要探针。“慧眼”卫星搭载有高能、中能、低能X射线望远镜3种科学载荷和空间环境监测器,观测能区为1-250keV(千电子伏特),具有独特的研究天体多能段X射线快速光变的能力,可以探索比以往更靠近黑洞视界或中子星表面的区域。

X射线双星的快速光变和能谱是研究强引力场、强磁场,以及物质在强引力场和强磁场下的动力学过程和辐射过程的主要探针。在轨期间,“慧眼”卫星对黑洞、中子星X射线双星进行了高精度、高频度的定点观测,

“目前共发现了20多颗ULXs,而NGC 5408星系中X射线波段最亮的这个名为“NGC
5408
X-1”的ULX有着时间跨度长达4.2年的监测数据,是最适合用于长时标准周期振荡的对象之一,这也是我们选择该源的主要原因。”该工作的第一作者安涛说。

四是首次观测到中子星表面单个热核暴的X射线光子“阵雨”对温度高达几亿度高温电子冕的快速冷却现象,为研究高温电子冕的辐射和形成机制提供了“独门”探针;从单个热核暴观测到的热核暴与吸积盘相互作用,为限制吸积盘最内半径提供了新的手段。

准周期振荡(QPO),即天体的流强在某个中心频率附近以多种频率变化的现象,是黑洞X射线双星系统的主要光变特征。其起源有多个理论模型,不但涉及到辐射区的几何结构、物质状态和辐射机制,也是验证广义相对论的重要预言“时空拖曳效应”的主要观测依据之一。

“NGC 5408
X-1出现了两个时间长达100天以上的周期信号,而且这两个信号表现出随时间变化的不稳定性,显然无法用双星轨道周期来解释。我们分析认为,它们很可能与翘曲吸积盘的进动相关。”安涛说。那么为什么观测到两个进动周期呢?一个可能性是,吸积盘在一些非线性流体动力学效应下断裂成内外两部分,它们因到中心距离不同而具有不同的进动周期,刚好对应于研究人员看到的两个长周期振荡成分。2.6天的周期成分有可能是NGC
5408
X-1双星系统的轨道周期。从这个意义上说,中等质量黑洞的可能性依然存在。这也是首次给出了该源3个周期成分并存的理论解释。

这一观测现象最初由项目组利用美国卫星的观测数据发现,但当时需要累积十个以上的暴才能看到显著的信号。慧眼卫星由于在高能X射线波段很强的探测能力,首次高显著性地探测到单个热核暴产生的低能X射线光子对高温电子冕的冷却,冕的冷却和重新加热在1秒左右的时间内即能完成。

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