“‘慧眼’衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，黑洞和中子星附近的物質(zhì)發(fā)出的幾十到上百千電子伏特能區(qū)的高能X射線存在強度的準周期變化，這是以前所有的天文望遠鏡都沒有看到的。” 中科院高能物理研究所研究員、“慧眼”衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷總設計師盧方軍介紹。

“慧眼”——硬X射線調(diào)制望遠鏡(Insight-HXMT)衛(wèi)星是我國第一顆X射線天文衛(wèi)星。在軌運行兩年多以來，“慧眼”開展了各類觀測1000余次，已在國際主流天體物理雜志上發(fā)表(含接受)科學論文10余篇。

此前，“慧眼”衛(wèi)星成功監(jiān)測雙中子星并合引力波事件電磁對應體和完成脈沖星導航實驗的成果已經(jīng)先后發(fā)布。10月26日開幕的第一屆中國空間科學大會期間，“慧眼”衛(wèi)星團隊發(fā)布了“慧眼”衛(wèi)星對X射線雙星的系列觀測結(jié)果。

開啟研究黑洞系統(tǒng)新窗口

X射線雙星是由黑洞或中子星與一個正常恒星組成的雙星系統(tǒng)，正常恒星的物質(zhì)在強引力作用下落向黑洞或中子星，形成圍繞黑洞和中子星高速轉(zhuǎn)動的物質(zhì)盤(吸積盤)，并發(fā)出強烈的X射線輻射。

X射線雙星的快速光變和能譜是研究強引力場、強磁場，以及物質(zhì)在強引力場和強磁場下的動力學過程和輻射過程的主要探針。在軌期間，“慧眼”衛(wèi)星對黑洞、中子星X射線雙星進行了高精度、高頻度的定點觀測，

“‘慧眼’發(fā)現(xiàn)黑洞系統(tǒng)中迄今最高能量的準周期振蕩現(xiàn)象，開啟了研究黑洞系統(tǒng)的新窗口，使得人類可以研究非常靠近黑洞或中子星的物質(zhì)的運動和輻射過程。”盧方軍介紹。

準周期振蕩(QPO)，即天體的流強在某個中心頻率附近以多種頻率變化的現(xiàn)象，是黑洞X射線雙星系統(tǒng)的主要光變特征。其起源有多個理論模型，不但涉及到輻射區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)、物質(zhì)狀態(tài)和輻射機制，也是驗證廣義相對論的重要預言“時空拖曳效應”的主要觀測依據(jù)之一。

“慧眼”衛(wèi)星將黑洞系統(tǒng)準周期振蕩現(xiàn)象研究的最高能量從以往的30keV提高到100keV，強烈支持QPO信號的非熱輻射起源，說明黑洞臨近區(qū)域以非熱高能物理過程為主。

對流行的千赫茲

QPO模型提出挑戰(zhàn)

“慧眼”衛(wèi)星在中子星X射線雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了最高能量的千赫茲準周期振蕩(QPO)，對廣為認可的千赫茲QPO起源模型提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

天蝎座X-1(Sco X-1)是人類發(fā)現(xiàn)的第一個宇宙X射線天體，也是除太陽外天空中最亮的X射線源。

上個世紀末的觀測發(fā)現(xiàn)，Sco X-1存在中心頻率在千赫茲附近的QPO現(xiàn)象。雖然經(jīng)過了20多年的觀測和研究，其起源仍無定論，最流行的模型認為這對應于圍繞中子星高速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(吸積盤)內(nèi)邊緣的不穩(wěn)定性，中心頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相當。

慧眼衛(wèi)星首次在20 keV以上的能區(qū)觀測到Sco X-1的千赫茲QPO，由于吸積盤的輻射以熱輻射為主，光子能量難以到達這么高的能量，慧眼的觀測結(jié)果對流行的千赫茲QPO模型提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

首次驗證關(guān)于光的

輻射壓導致

吸積盤結(jié)構(gòu)突變的理論

Swift J0243.6+6124是銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個超亮X射線源。其光度極高，導致大部分望遠鏡被“亮瞎眼”，無法展開觀測。

“‘慧眼’對其進行了國際上最為全面的觀測，使我們能系統(tǒng)地研究其時變和能譜的演化。我們發(fā)現(xiàn)在特定X射線光度時，X射線脈沖輪廓(亮度的周期性變化曲線)兩次發(fā)生突變，這是天文學家首次在中子星X射線雙星系統(tǒng)中觀測到脈沖輪廓隨著光度增加相繼突變兩次的現(xiàn)象。”盧方軍介紹。

“慧眼”的觀測結(jié)果表明，脈沖輪廓在低光度時的突變，是由于吸積物質(zhì)在中子星表面上的分布形狀變化引起的：當光度較低時，吸積物質(zhì)像土丘一樣;而光度較高時，由于輻射壓的影響，會形成吸積柱，導致脈沖輪廓變化。當光度進一步升高，吸積盤由氣壓主導變?yōu)楣獾妮椛鋲褐鲗?，并從一個薄盤膨脹為厚盤，導致了功率譜的變化。

這一觀測首次驗證了半個多世紀前提出的吸積理論。但是，脈沖輪廓為何兩次突變，仍然是一個謎。

為吸積物理研究

提供新“探針”

當中子星從伴星吸積的物質(zhì)足夠多時，會發(fā)生熱核聚變反應，發(fā)出大量低能X射線(能量大多低于1keV)。這些X射線光子會與籠罩在中子星周圍、溫度高達幾億度的高溫電子冕發(fā)生碰撞并降低電子的溫度。

“慧眼”首次觀測到中子星表面單個熱核暴的X射線光子“陣雨”對溫度高達幾億度高溫電子冕的快速冷卻現(xiàn)象，為研究高溫電子冕的輻射和形成機制提供了“獨門”探針。

這一觀測現(xiàn)象最初由項目組利用美國衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，但當時需要累積十個以上的暴才能看到顯著的信號?；垩坌l(wèi)星由于在高能X射線波段很強的探測能力，首次高顯著性地探測到單個熱核暴產(chǎn)生的低能X射線光子對高溫電子冕的冷卻，冕的冷卻和重新加熱在1秒左右的時間內(nèi)即能完成。

“慧眼”衛(wèi)星還發(fā)現(xiàn)中子星表面的熱核暴與圍繞中子星運動的吸積盤之間可能發(fā)生劇烈的相互作用。這可能提供了限制物質(zhì)盤最內(nèi)半徑的新方法。

為理解中子星提供新依據(jù)

回旋吸收線的能量直接對應著磁場強度，這是目前直接測量中子星磁場的唯一方法。

著名的中子星X射線雙星Her X-1是首顆被觀測到回旋吸收線的中子星，然而，其回旋吸收線的能量在過去的近二十年中呈現(xiàn)緩慢的下降，是中子星物理的未解之謎。

最近幾年，觀測發(fā)現(xiàn)其下降趨勢有可能停止了。“慧眼精確地觀測到了來自Her X-1的回旋吸收線，并且以超過5倍標準偏差的精度確定了回旋吸收線的能量不再下降，為理解中子星的性質(zhì)提供了新的觀測依據(jù)。”盧方軍介紹。

科技日報記者 唐婷

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