偏振的X射线揭示了黑洞周围极热物质的形状和方向

研究人员最近对一个名为天鹅座X-1的恒星质量的黑洞的观测揭示了关于紧紧围绕黑洞的区域中极热物质的配置的新细节。

当物质被拉向黑洞时，它被加热到数百万度。这种热物质在X射线下发光。研究人员正在利用对这些X射线的偏振的测量来测试和完善描述黑洞如何吞噬物质的模型，从而成为宇宙中一些最发光的光源--包括X射线。

来自天鹅座X-1的新测量结果于11月3日星期四在《科学》 杂志上在线发表，代表了宇航局和意大利航天局(ASI)之间的国际合作项目--成像X射线偏振探测仪(IXPE)任务对一个创造质量的黑洞的首次观测。天鹅座X-1是我们银河系中最明亮的X射线源之一，由一个21个太阳质量的黑洞和一个41个太阳质量的伴星组成。

"以前对黑洞的X射线观测只测量了热等离子体向黑洞螺旋运动的X射线的到达方向、到达时间和能量，"领衔作者、圣路易斯华盛顿大学文理学院Wayman Crow物理学教授、该大学麦克唐纳空间科学中心的教员Henric Krawczynski说。"IXPE还测量了它们的线性偏振，它带有关于X射线如何发射的信息--以及它们是否以及在哪里散射出靠近黑洞的物质。

没有任何光线，甚至是X射线的光线，可以从黑洞的事件视界内逃脱。用IXPE检测到的X射线是由黑洞60公里直径的事件穹界周围2000公里直径区域的热物质或等离子体发射的。

将IXPE数据与宇航局NICER和NuSTAR X射线观测站在2022年5月和6月的同步观测相结合，使作者能够约束等离子体的几何形状，即形状和位置。

研究人员发现，该等离子体垂直于一个两面的铅笔形等离子体外流或喷流延伸，这在早期的无线电观测中得到了体现。X射线偏振方向和喷流方向的一致有力地支持了这样一个假设，即靠近黑洞的X射线明亮区域的过程在发射喷流中起着关键作用。

观测结果与预测模型相吻合，即热等离子体的日冕要么夹住了向黑洞旋转的物质盘，要么取代了该盘的内部部分。新的偏振数据排除了黑洞的日冕是一个狭窄的等离子体柱或沿喷流轴的锥体的模型。

科学家们指出，更好地了解黑洞周围等离子体的几何形状可以揭示出许多关于黑洞的内部运作以及它们如何增加质量。

"Krawczynski说："这些新的见解将使我们能够改进对黑洞附近的重力如何改变空间和时间的X射线研究。

与天鹅座X-1黑洞具体相关的是，"IXPE观测显示，吸积流比以前认为的更加边缘化，"共同作者捷克科学院天文研究所的Michal Dovčiak解释说。

"这可能是黑洞的赤道面和双星的轨道面错位的标志，"或者说是黑洞及其伴星的成对组合，来自图尔库大学的合著者亚历山德拉-维莱迪纳澄清道。"该系统可能在黑洞原生星爆炸时获得了这种错位。

"IXPE任务使用了宇航局马歇尔太空飞行中心制造的X射线反射镜和由ASI、国家天体物理研究所(INAF)和国家核物理研究所合作提供的焦平面仪器，"共同作者、INAF-IAPS的Fabio Muleri说。"除了天鹅座X-1之外，IXPE还被用来研究广泛的极端X射线源，包括质量增加的中子星、脉冲星和脉冲星风星云、超新星遗迹、我们的银河系中心和活动星系核。我们已经发现了很多惊喜，而且我们有很多乐趣。"

同期《科学》杂志上的第二篇论文由帕多瓦大学的Roberto Taverna领导，描述了IXPE对来自磁星4U 0142+61的高偏振X射线的探测。

"Krawczynski说："我们很高兴能成为天体物理学中这一新的科学发现浪潮的一部分。