有新发现！这个“皇冠”实际上可以逃离黑洞的引力场

在Goggles卫星上有一项新发现，这个“皇冠”可以逃离黑洞的引力场

黑洞由于事件视界，我们很难直接观察到。然而，超出事件视界的日冕可以产生X射线辐射，我们观察到了这一点。这相当于在天上点亮一盏信号灯，告诉我们这个地方有一个黑洞。所以在能够探测到引力波之前，宇宙中的恒星黑洞主要是通过日冕X射线辐射发现的。

光逃不掉，黑洞像饕餮一样吞噬一切。真的会偶尔打嗝把吃的东西吐出来吗？

2月15日《自然通讯》在线公布了Goggles卫星的最新科研成果：通过分析Goggles卫星的观测数据，武汉大学和中科院高能物理研究所的研究人员发现，等离子流，也就是常说的蝎子，可以逃离黑洞的强引力场，高速向外运动；并且首次在黑洞双星中观测到了日冕的速度演化。

研究表明，在冕向黑洞收缩的同时，它也以光速向外运动，冕的尺度越小，速度越大。这一成果为研究黑洞吸积过程中日冕的运动提供了重要依据，并被《自然通讯》选为当前的焦点文章。

表示黑洞存在的信号灯

黑洞吞噬恒星的过程通常存在于黑洞X射线双星系统中，即由一个黑洞和一颗恒星组成的双星系统，主要在X射线波段辐射。天鹅座X-1是第一个有黑洞的双星系统。随着天文学的发展，科学家们在银河系中发现了越来越多的黑洞X射线双星系统。这次发现的能逃出黑洞“爪”的冕，属于黑洞X射线双星系统。

那么黑洞的皇冠是什么呢？我们知道，太阳的日冕，也就是日冕，是指太阳表面的高温等离子体。日冕辐射主要集中在紫外线和X射线波段。类似于太阳周围的日冕，在黑洞X射线双星中，高温等离子体也存在于黑洞的事件视界之外。因为这些高温等离子体也会产生X射线辐射，所以我们经常把黑洞附近的高温等离子体称为日冕。

“根据目前的理论研究和观测数据，科学家们基本认为黑洞附近有这样的高温蝎子。”上述论文的第一作者、武汉大学天体物理学博士游贝说。

那么，这种高温冠是如何形成的呢？

对此，游贝说，黑洞本身虽然没有光，但在黑洞X射线双星中，大量伴星物质被黑洞强大的引力俘获后会旋转并逐渐向黑洞移动，形成发光的圆盘结构，俗称吸积盘。吸积盘在坠入黑洞之前，释放了黑洞的引力势能，对自身进行加热。当被加热的物质不能通过物理过程释放能量时，温度会相应升高。高温物质最终会电离形成高温等离子体，即电晕。

黑洞由于事件视界，我们很难直接观察到。然而，超出事件视界的日冕可以产生X射线辐射，我们观察到了这一点。这相当于在天上点亮一盏信号灯，告诉我们这个地方有一个黑洞。所以在能够探测到引力波之前，宇宙中的恒星黑洞主要是通过日冕X射线辐射发现的。

首次发现冠部收缩时速度增加

“然而，在致密天体的研究中，冕怎样移近黑洞一直是一个未解之谜。”优贝说。

2018年3月，距离我们约11300光年的黑洞X射线双星MAXIJ1820 070爆发，它是长期以来天空中最亮的X射线源之一。护目镜卫星对这个天体的爆炸进行了高频观测。

2020年，中国科学院高能物理研究所领导的研究小组通过分析Eye卫星的时变数据，发现了MAXIJ1820 070中能量最高的低频准周期振荡(QPO)信号，为黑洞视界附近发射的相对论喷流，即高速向外运动的等离子喷流提供了观测证据。

至于冕在黑洞吸积过程中是如何运动的，以往的研究都集中在理论上，观测证据相对较少。根据以前的理论，离黑洞越近，日冕辐射的X射线光子由于引力弯曲效应和吸积盘相对日冕的张角，应该越强照射到吸积盘。

然而，这一理论与研究小组对观察数据的分析结果相反。通过分析贵研卫星的能谱数据，研究人员发现，当日冕逐渐减弱，空间尺度趋于向黑洞收缩时，其对吸积盘的暴露也随之减弱。研究人员指出，日冕发射的X射线光子对吸积盘的照射强度取决于日冕的运动速度和黑洞的引力场。

同时，对同一时期的MAXIJ1820 070的X射线时变分析表明，当X射线辐射电流强度逐渐减小时，日冕的几何尺度有向黑洞收缩的趋势。

研究小组指出，对这一现象最合理的解释是，在日冕收缩的同时，日冕中的等离子流以光速向外运动，为研究小组发现的黑洞附近的相对论喷流提供了独立的观测证据和物理解释。“我们的研究结果不仅探测到了冕远离黑洞的向外运动，更重要的是，我们首次发现，当冕的空间尺度缩小时，其运动速度逐渐增大。”优贝说。

“忽冷忽热”改变了树冠的空间延伸结构，那么，为什么冕会以接近光速的速度向外运动，同时向黑洞收缩呢？

“类似于空间中日冕的扩展结构，黑洞事件视界外的日冕也具有空间分布，即空间尺度。黑洞周围的枷锁不会因为黑洞强大的引力场而被无限压缩。”优贝说。

维持树冠空间延伸结构的因素很多，其中一个就是树冠加热和冷却的物理过程。当电晕加热的速度比电晕冷却的速度慢时，电晕将逐渐冷却。“在这一点上，低温等离子体不是再是冕，也就不能辐射出高能X射线光子。因此，当谈到冕在趋向黑洞收缩时，实际上，指的是高温冕的空间尺度在缩小。”游贝强调，当冕被持续冷却时，其尺度便会一直向黑洞收缩。

同时，冕不仅有空间结构，也可能拥有集体的运动速度。冕可以朝向黑洞运动，也能背离黑洞向外运动。

等离子体运动的方向，取决于其受力情况。黑洞引力的吸引，使等离子体向黑洞运动，而辐射场/磁场对冕的作用使得其背离黑洞向外运动。这就像是在“拔河”，当辐射场/磁场对冕的作用强于黑洞引力场时，冕在到达黑洞事件视界之前，便能够背离黑洞向外运动。

研究团队进一步发现，冕尺度越小，速度越大，因此冕物质运动的相对论性集束效应抑制了黑洞的引力弯曲效应。此研究成果第一次系统地描绘了黑洞X射线双星在爆发过程中，等离子体流逃离黑洞引力场的速度演化，对于理解黑洞吸积过程和相对论效应意义重大。

慧眼卫星通过其时变数据，在MAXI J1820+070的黑洞视界附近发现了以接近光速向外运动的等离子体流及其进动过程；而利用其能谱数据，研究人员也发现了以接近光速向外运动的等离子体流及其速度的演化。

对此，论文共同通讯作者、中国科学院高能物理研究所研究员张双南表示，这两项相互印证的研究成果，展示了慧眼卫星进行宽能段时变和能谱研究的综合优势。