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上海天文臺科研團隊在黑洞雙星X射線光變起源研究中取得突破

發(fā)布時間：2025-07-02 【字體：大中小】【打印】【關(guān)閉】

近日，中國科學院上海天文臺余文飛研究員課題組在黑洞雙星的X射線快速光變研究中取得重要進展。相關(guān)研究成果于6月20日在線發(fā)表在國際天文學學術(shù)期刊《天體物理學報》（The Astrophysical Journal）上。

銀河系內(nèi)多數(shù)黑洞和中子星雙星是高能暫現(xiàn)源，在偶爾發(fā)生的吸積爆發(fā)過程中，黑洞或中子星通過吸積來自伴星的物質(zhì)，在致密天體附近釋放引力能并主要產(chǎn)生X射線輻射，使得其X射線輻射中攜帶了黑洞和中子星及其附近強引力場等關(guān)鍵信息，X射線光變成為探測致密天體性質(zhì)及強引力場、強磁場物理的重要觀測手段。黑洞和中子星X射線雙星的X射線光變，在傅里葉功率譜上做區(qū)分，主要包括冪率噪聲（Power-Law Noise,PLN）、帶限噪聲（Band-limited Noise,BLN）和準周期振蕩信號（Quasi-Periodic Oscillations,QPOs）等，其中BLN是黑洞和中子星（小質(zhì)量）X射線雙星在X射線硬譜態(tài)和中間譜態(tài)主要光變成分。

在此次研究中，上海天文臺科研團隊利用慧眼衛(wèi)星對暫現(xiàn)黑洞雙星MAXI J1820+070吸積爆發(fā)的觀測，發(fā)現(xiàn)在硬譜態(tài)和中間譜態(tài)主要光變成分BLN的特征頻率范圍具有明顯的光子能量依賴：隨著光子能量增加，該平臺分別向高頻（> 10 Hz）和低頻（< 0.1 Hz ）兩端同時擴展，相對光變幅度隨光子能量的增加反而下降；該趨勢的極限將非常類似X射線軟譜態(tài)觀測到的、由吸積盤黑體輻射產(chǎn)生的冪率光變成分。該研究揭示了BLN的特征光變來自吸積盤局域范圍的種子光子攜帶的原初盤光變信息，這些種子光子通過逆康普頓過程產(chǎn)生了觀測到X射線光變，也同時揭示了吸積和輻射幾何。由于黑洞和中子星小質(zhì)量X射線雙星BLN具有統(tǒng)一的起源，該項研究成果很可能解決了黑洞和中子星小質(zhì)量X射線雙星中帶限噪聲X射線光變成分起源的問題。

22年前，余文飛和國外合作者針對黑洞和中子星暫現(xiàn)雙星爆發(fā)的研究表明，暫現(xiàn)黑洞和中子星低質(zhì)量X射線雙星中的主要光變成分如BLN和低頻QPO具有對應的統(tǒng)一起源（Yu et al. 2003）；大約12年前，上海天文臺科研團隊率先發(fā)現(xiàn)黑洞雙星時變-功率譜態(tài)實際上是光子能量依賴的，與觀測能段對應的主要譜成分有關(guān)，這顛覆了黑洞雙星X射線時變功率譜態(tài)的圖像（Yu & Zhang 2013）；大約10年前，團隊進一步發(fā)現(xiàn)黑洞雙星中BLN高頻端的特征頻率與光子能量依賴（Stiele & Yu 2015）。此項研究又發(fā)現(xiàn)BLN低頻端的特征頻率也具有光子能量依賴，與之前發(fā)現(xiàn)的BLN高頻端特征頻率的光子能量依賴形成了完整圖像，揭示BLN功率平臺（及其特征頻率）的本質(zhì)起源。由于先前的研究確定了黑洞和中子星X射線雙星中的X射線BLN和低頻QPO具有對應的統(tǒng)一起源，此項研究因此很可能解決了小質(zhì)量X射線雙星中的X射線帶限噪聲光變成分的起源問題，也揭示與之對應的吸積和輻射幾何圖像。

此項工作的第一作者、上海天文臺博士生高晨旭表示:“如果沒有這次BLN功率平臺低頻特征頻率隨光子能量依賴的發(fā)現(xiàn)，我們可能就無法形成對BLN的整體認識，也就不會觸及黑洞X射線快速光變起源這個重要問題”。該論文的通訊作者余文飛研究員指出，研究黑洞和中子星雙星的快速光變是探測強引力場效應和揭示致密天體基本性質(zhì)的重要手段，我們長期以來的探索和發(fā)現(xiàn)，形成了包含光子能量依賴的整體時變圖像和物理視角，這為我們利用慧眼衛(wèi)星的寬能段高能觀測取得這個新發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。