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科学天文学家使用“宇宙回声定位”来绘制黑洞周围的环境


科学天文学家使用“宇宙回声定位”来绘制黑洞周围的环境
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落入黑洞的物质会将x射线发射到太空中 ， 现在天文学家已经利用这种辐射的回声来描绘黑洞本身的动态行为和周围环境 。
大多数黑洞在天空中太小了 ， 我们无法确定它们的直接环境 ， 但我们仍然可以通过观察物质靠近和落入黑洞时的行为来探索这些神秘的物体 。
当物质螺旋上升进入黑洞时 ， 它会被加热并发出x射线 ， 而x射线与附近的气体相互作用时产生回声和混响 。 由于黑洞的极端性质和极其强大的引力 ， 这些空间区域高度扭曲变形 。
现在 ， 研究人员已经使用欧洲航天局的xmm -牛顿x射线天文台来跟踪这些光的回声 ， 并绘制一个活跃星系核心的黑洞周围的地图 。 他们的研究结果发表在《自然天文学》杂志上 。
被命名为IRAS 13224-3809的黑洞的宿主星系是天空中最易变的x射线源之一 ， 在短短几小时内经历了亮度50倍的巨大而快速的波动 。
“每个人都熟悉他们的声音听起来不同的回声在课堂上说话的时候相比cathedral-this只是由于房间的几何和材料,使声音的行为,并在不同的反弹,”威廉·阿尔斯通从剑桥大学天文研究所的博士说,这项新研究的主要作者 。
“以类似的方式 ， 我们可以观察x射线辐射的回声如何在黑洞附近传播 ， 以绘制出一个区域的几何形状和一团物质在消失于奇点之前的状态 。 ”这有点像宇宙回声定位 。 ”
由于吸入气体的动力学与消耗黑洞的性质密切相关 ， 阿尔斯通和他的同事们也能够通过观察物质向内螺旋运动的性质来确定星系中心黑洞的质量和自旋 。
物质落入黑洞时形成一个圆盘 。 在这个圆盘的上方有一个温度高达10亿度的热电子区域 ， 叫做日冕 。 虽然科学家们希望看到用来绘制该区域几何形状的混响回声 ， 但他们也发现了一些意想不到的东西:日冕本身的大小在几天内迅速发生了变化 。
“随着日冕的大小变化 ， 光线的回声也会发生变化——这有点像大教堂的天花板上下移动 ， 改变了声音的回声 ， ”阿尔斯通说 。
“通过追踪光的回声 ， 我们能够追踪日冕的变化 ， 更令人兴奋的是 ， 我们得到了黑洞质量和旋转的更好的数值 ， 而不是日冕的大小没有变化 。 ”我们知道黑洞的质量不会波动 ， 所以回声的任何变化都必须归因于气体环境 。 ”
这项研究使用了XMM-牛顿望远镜对一个不断增长的黑洞进行的最长时间的观测 ， 在2011年和2016年收集了超过16个航天器轨道 ， 总计200万秒——刚刚超过23天 。 这一点 ， 再加上黑洞本身强大的短期变异性 ， 使得阿尔斯通和他的合作者能够在一天的时间尺度内对回声进行全面的建模 。
在这项研究中探索的区域是不能被像事件视界望远镜这样的天文台观测到的 ， 它第一次拍摄到了黑洞附近的气体——位于附近的大质量星系M87中心的那一个 。 这一基于2017年全球射电望远镜观测并于去年发布的结果在全球引起轰动 。
“视界望远镜的形象获得了使用一个方法称为interferometry-a技术只能在几个地球最近的超大质量黑洞,比如那些在M87星系在我们家里,银河系,因为他们视尺寸对天空足够大的方法工作,”作者迈克尔·帕克说:谁是ESA研究员欧洲太空天文学中心马德里附近 。
“相比之下 ， 我们的方法能够探测到最近的几百个正在消耗物质的超大质量黑洞——随着欧洲航天局的雅典娜卫星的发射 ， 这个数字将显著增加 。 ”
描述紧密围绕着黑洞的环境是ESA的“雅典娜”任务的核心科学目标 ， 该任务计划在21世纪30年代初发射 ， 将揭开热而充满活力的宇宙的秘密 。
测量大样本黑洞的质量、自旋和吸积率是理解整个宇宙引力的关键 。 此外 ， 由于超大质量黑洞与其所在星系的属性有着密切的联系 ， 这些研究对于进一步了解星系如何随时间而形成和进化也至关重要 。


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