NuSTAR探究黑洞喷流之谜这幅艺术概念图展示了一个伴有吸积盘

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这幅艺术概念图展示了一个伴有吸积盘和热气体(等离子体)喷流的黑洞，吸积盘是围绕黑洞旋转的物质构成的平面结构。

Credits: NASA/JPL-Caltech

黑洞因贪吃而闻名，但它们却不会将落向它们的东西全都吃掉。一小部分物质会以强烈热气体喷流的形式射出，并对周围环境造成破坏，这些热气体被称作等离子体。一路上，这种等离子体以某种方式获取足够的能量来强烈地发光，并沿着黑洞的旋转轴形成两个亮柱。科学家们一直在争论，喷流中的这一过程究竟是在哪里发生和如何发生的。

如今，对于这个谜团，天文学家们得到了一些新线索。利用NASA的NuSTAR(核分光望远镜阵)空间望远镜和一台位于西班牙拉帕尔马岛威廉?赫歇尔天文台上的叫做ULTRACAM的高速相机，科学家们已经能够测算出喷流中的粒子在被"开启"而成为明亮光源之前走过的距离。这个距离被称为"加速区"。该研究发表在《自然?天文》杂志上。

科学家们关注着银河系中被称为"X射线双星"的两个天体系统，其中每个系统都包含一个进食正常恒星的黑洞。在这些系统的爆发期，科学家在不同的点对它们进行了研究。爆发期是吸积盘(一个围绕黑洞旋转的物质构成的平面结构)由于物质落入而变亮的时期。

其中一个名为V404 Cygni的系统，在2015年6月科学家观测时，几乎达到了极大亮度。当时，它经历了自21世纪以来，天文学家观测到的最为明亮的X射线双星爆发。另一个系统被称为GX 339-4，它被观测到时，亮度不及其最大预期亮度的1%。GX 339-4的恒星和黑洞比V404 Cygni系统更加紧密。

尽管它们存有差异，但在NuSTAR首先探测到X射线光和ULTRACAM稍后在可见光波段检测到耀斑的时刻之间，这两个系统都呈现相似的时间延迟，约十分之一秒。这个延迟小于人眨眼的时间，但它对于黑洞喷流的物理学来说是显著的。

英国南安普敦大学天文学家、该研究的主要作者Poshak Gandhi说:"一种可能性是，喷流的物理性质不是由盘的尺寸决定的，而是由喷流基底处粒子的速度、温度和其他性质决定的。"

科学家们解释这些结果的最佳理论是，X射线光产生于非常接近黑洞的物质。强磁场将部分这些物质沿着喷流推进到高速。这导致粒子以近光速相互碰撞，为等离子体提供能量，直到其开始发射可被ULTRACAM捕获的可见光辐射。

这一过程发生在喷流的什么位置?测量到的光学与X射线光之间的延迟解释了这一问题。科学家将这段时间延迟乘以粒子的速度，也就是接近光速，最终确定了粒子行进的最大距离。

大约19000英里(30000千米)的广阔空间代表了喷流的内部加速区域，在该区域等离子体可获得最强的加速度，并且通过发光而被"开启"。这一距离正好略少于地球直径的三倍，但在宇宙层次上微乎其微，特别是考虑到V404 Cygni中的黑洞质量相当于300万颗地球质量之和的时候。

NASA喷气推进实验室的研究共同作者、天文学家Daniel Stern说:"天文学家们希望利用这项研究的结果来改进喷流能源机制的模型。"

开展这些测量并不容易。空间中的X射线望远镜和地面上的光学望远镜必须在X射线双星爆发的同时来观察X射线双星，以便科学家们计算出望远镜探测之间的微小延迟。这种协调需要天文台团队之间进行复杂的规划。实际上，在2015年那次爆发时，NuSTAR和ULTRACAM之间的联合观测仅在一小时内可以实现，但这足以计算出关于加速区的突破性结果。

这项研究结果似乎也与科学家对超大质量黑洞的理解有关联，这种黑洞比本研究中的黑洞要大得多。在一个具有200万倍太阳质量的被称为蝎虎天体(BL Lacertae)的超大质量系统中，科学家们推算出的时间延迟比本项研究发现的要长几百万倍。这意味着喷流的加速区域的大小可能与黑洞的质量有关。

"我们很兴奋，因为看起来我们已经找到了一个有关喷流内部运行的特征尺度，不仅涵盖了V404 Cygni这样的恒星质量黑洞，还有怪兽级的超大质量黑洞。"Gandhi说。

接下来的步骤是，通过观测其他X射线双星来证实这个测到的时间延迟，并发展出一个适用于所有大小的黑洞的喷流理论。

"协同工作的全球地面和空间望远镜是这一发现的关键。但这只是一瞥，我们仍然还有很多事情要了解。要理解黑洞的极端物理，前景一片光明。"NuSTAR首席研究员、帕萨迪纳加州理工学院天文学教授Fiona Harrison说。

NuSTAR是由加州理工学院领导的小型探索器人物，并由NASA在华盛顿的喷气推进实验室科学任务理事会管理。NuSTAR与丹麦技术大学和意大利航天局(ASI)合作开发。该航天器是由位于弗吉尼亚州杜勒斯的轨道科学公司建造的。NuSTAR的任务运营中心位于加州大学伯克利分校，官方数据存档位于NASA的高能天体物理科学档案研究中心。ASI提供任务的地面站和镜像存档。加州理工学院管理NASA的喷气推进实验室。

有关NuSTAR的更多信息，请访问:

https://www.nasa.gov/nustar

http://www.nustar.caltech.edu/

原文作者:Elizabeth Landau

原文编辑: Tony Greicius

编辑:尘埃

翻译:孟豪

校对、审核:傅煜铭

以上文章来自"星系动力翻译组"(Galdyn)，致力于翻译NASA官方信息的志愿团队。

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