2022年11月25日 理化研究所 廣島大學(xué)從黑洞首次觀測(cè)x射線的偏振光-黑洞附近的冠狀病毒的位置和形狀很明顯-
理化學(xué)研究所(理研)開(kāi)拓研究總部玉川高能宇宙物理研究室的北口貴雄研究員、玉川徹主任研究員、廣島大學(xué)研究生院先進(jìn)理工系科學(xué)研究科的張思軒研究生、該宇宙科學(xué)中心的水野恒史副教授等共同研究小組認(rèn)為，銀河系中的黑洞[1] 和恒星的連接系統(tǒng)“天鵝座X-1[2]”的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)從黑洞附近放射的x射線稍微發(fā)生了偏振[3]，明確了黑洞附近的高溫等離子體[4] (冠狀病毒[4] )的位置和形狀。
本研究成果今后有望用于黑洞附近強(qiáng)重力場(chǎng)下物理的驗(yàn)證和黑洞自轉(zhuǎn)速度的測(cè)量。 在黑洞行星系的黑洞的周邊，存在著來(lái)自恒星的物質(zhì)被黑洞的強(qiáng)重力吸引而形成的螺旋狀的高溫“圓盤”和比圓盤溫度高的被稱為“冠狀病毒”的等離子體。
此次，共同研究小組使用x射線偏振光觀測(cè)衛(wèi)星IXPE[5]，對(duì)黑洞行星系天鵝座X-1進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)x射線的振動(dòng)方向稍微偏向(偏光)于從黑洞放出的被稱為“噴射[6]”的等離子體噴出流的方向。 根據(jù)該x射線的偏移及其強(qiáng)度，可以認(rèn)為冠狀病毒不存在于射流的方向，而是復(fù)蓋圓盤的兩面，或者位于圓盤的內(nèi)緣和黑洞之間。 這種黑洞附近物質(zhì)的位置關(guān)系，用以往的x射線望遠(yuǎn)鏡太遠(yuǎn)無(wú)法分解，只有通過(guò)觀測(cè)偏振光才能明確。本研究刊登在科學(xué)雜志《Science》在線版( 11月3日)上。
在宇宙空間中，存在著黑洞和恒星圍繞彼此旋轉(zhuǎn)的連接系統(tǒng)(黑洞連接系統(tǒng))。 在黑洞行星系中，恒星釋放的物質(zhì)被黑洞的強(qiáng)重力吸引，在黑洞的周圍形成由100萬(wàn)℃左右的高溫等離子體構(gòu)成的薄“圓盤”，圓盤會(huì)發(fā)射出強(qiáng)x射線。
而且，根據(jù)高能x射線的觀測(cè)，也暗示了存在被稱為“冠狀病毒”的達(dá)到約10億℃的高溫等離子體。 但是，冠狀病毒是什么形狀，位于黑洞附近的哪里，用以前的x射線望遠(yuǎn)鏡無(wú)法分離觀測(cè)。 x射線是波長(zhǎng)較短的電磁波，電磁波通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替振動(dòng)在空間中傳播。 各個(gè)x射線的電場(chǎng)朝向某個(gè)方向，但多個(gè)x射線的電場(chǎng)朝向特定的同一方向時(shí)，表示為“直線偏振光”。 這樣的偏振光是在x射線通過(guò)物質(zhì)并以一定概率反射時(shí)產(chǎn)生的，因此測(cè)量偏振光的強(qiáng)度后，可以知道從觀測(cè)者那里看到的x射線的放射源和反射物質(zhì)的位置關(guān)系。 2021年12月8日，世界上首次發(fā)射了搭載專門用于x射線偏振光觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡的IXPE衛(wèi)星(注1 )。 在美國(guó)航空宇宙局( NASA )和意大利宇宙機(jī)構(gòu)( ASI )的共同任務(wù)中，包括理研在內(nèi)的日本集團(tuán)也提供了主要觀測(cè)裝置的一部分，同時(shí)參加了x射線偏振光觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析。注2 )。
注1 ) 2021年12月8日通知“觀測(cè)黑洞的新手段的開(kāi)拓” 注2 ) 2021年4月23日新聞發(fā)布會(huì)《用x射線偏振光觀測(cè)衛(wèi)星IXPE解開(kāi)的動(dòng)態(tài)宇宙》
聯(lián)合研究小組使用IXPE衛(wèi)星，于2022年5月15日至21日對(duì)發(fā)出非常強(qiáng)的x射線，也就是x射線中最明亮的天體之一的黑洞行星系“天鵝座X-1”進(jìn)行了觀測(cè)。 天鵝座X-1位于天鵝座的方向，距離地球約7,000光年，由21倍于太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和41倍于太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)色超巨星[2]組成(圖1 )。
圖1黑洞行星系天鵝座X-1的想象圖
位于中央的黑洞通過(guò)重力將物質(zhì)從左邊看到的藍(lán)色超巨星吸引過(guò)來(lái)，在黑洞附近形成螺旋圓盤。 被吸引的物質(zhì)的一部分，作為射流在圓盤的垂直方向上射出得很細(xì)。 ( Credit: John Paice )
眾所周知，黑洞行星系的狀態(tài)隨觀測(cè)時(shí)期而變化。 根據(jù)測(cè)量的x射線光譜，確定了此次觀測(cè)到的天鵝座X-1在從冠狀病毒放射出的x射線的作用下處于明亮地閃耀的狀態(tài)。 因此，通過(guò)測(cè)定這個(gè)時(shí)期的x射線偏振光，可以知道作為x射線放射源的冠狀病毒和反射它的物質(zhì)圓盤的位置關(guān)系。 數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，x射線稍微發(fā)生了偏振，其方向與來(lái)自黑洞的被稱為“射流”的等離子體噴出流的方向(圓盤的垂直方向)一致。 根據(jù)該x射線偏振光的強(qiáng)度，冠狀病毒不存在于噴射方向，可能是復(fù)蓋了圓盤的兩面，或者位于圓盤的內(nèi)緣和黑洞之間(圖2 )。
圖2黑洞周圍冠狀病毒的位置和形狀的可能性
黑圈表示黑洞，紅帶表示圓盤，淡藍(lán)色表示冠狀病毒。 左邊表示的是冠狀病毒覆蓋圓盤兩面的模型，右邊表示的是冠狀病毒位于圓盤和黑洞之間的模型。
本研究利用測(cè)量x射線偏振光的新天體觀測(cè)方法，首次明確了黑洞附近冠狀病毒的形狀及位置。 同樣的方法也可以應(yīng)用于中子星[7]和恒星等黑洞以外的星系，有望進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。 另外，這次的天鵝座X-1的觀測(cè)是在來(lái)自冠狀病毒的x射線明亮的時(shí)候進(jìn)行的，但也有幾乎看不到冠狀病毒，來(lái)自圓盤的x射線變得非常明亮的時(shí)期。 在這種情況下，放射x射線的圓盤會(huì)被吸引到黑洞的更近的地方，因此預(yù)計(jì)由于其強(qiáng)大的重力場(chǎng)產(chǎn)生的時(shí)空變形，x射線偏振光會(huì)發(fā)生變化。 通過(guò)用IXPE衛(wèi)星觀測(cè)該變化，可以期待在不久的將來(lái)驗(yàn)證黑洞附近的強(qiáng)重力場(chǎng)下的物理，以及測(cè)量黑洞的自轉(zhuǎn)速度。
本研究基于科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( c )“利用x射線偏光測(cè)定解析宇宙射流的能量源( 19K03902，研究代表者:北口貴雄)”，同基礎(chǔ)研究( a )“利用x射線偏光觀測(cè)解析旋轉(zhuǎn)的黑洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)( 19H00696，研究代表者) 得到了同基礎(chǔ)研究( s )“通過(guò)x射線伽馬射線偏振光觀測(cè)開(kāi)拓的中子星超強(qiáng)磁場(chǎng)的物理( 19H05609，研究代表者:玉川徹)”、稻盛財(cái)團(tuán)研究資助(三石郁之)、小笠原科學(xué)技術(shù)振興財(cái)團(tuán)一般研究資助事業(yè)(三石郁之)、牛希奧電機(jī)株式會(huì)社捐款(三石郁之)的資助
Henric Krawczynski、Fabio Muleri、Michal Dovcˇiak、Alexandra Veledina、Nicole Rodriguez Cavero、Jiri Svoboda、Adam Ingram、giam Javier A. Garcia、Vladislav Loktev、Michela Negro、Juri Poutanen、Takao Kitaguchi、Jakub Podgorny、John Rankin、Wenda Zhang、an Svetlana V. Berdyugina、Stefano Bianchi、Dmitry Blinov、Fiamma Capitanio、Niccolò Di Lalla、Paul Draghis、Sergio Fabiani、MAS Vadim Kravtsov、Sebastian Kiehlmann、Luca Latronico、Alexander A. Lutovinov、Nikos Mandarakas、Frédéric Marin和Andrea marin Tsunefumi Mizuno，Sergey V. Molkov，Nicola Omodei，Pierre-Olivier Petrucci，Ajay Ratheesh，Takeshi Sakanoi，Andrei N. Semena Paolo Soffitta，Allyn F. Tennant，Phillipp Thalhammer，F(xiàn)rancesco Tombesi，Martin C. Weisskopf，Joern Wilms，Sixuan Zhang，iv Lucio A. Antonelli、Matteo Bachetti、Luca Baldini、Wayne H. Baumgartner、Ronaldo Bellazzini、Stephen D. Bongiorno、raffaellll Niccolò Bucciantini、Simone Castellano、Elisabetta Cavazzuti、Stefano Ciprini、Enrico Costa、Alessandra De Rosa、Ettore Del Monte Alessandro Di Marco、Immacolata Donnarumma、Victor Doroshenko、Steven R. Ehlert、Teruaki Enoto、Yuri Evangelista、Ricardo ferrro Kiyoshi Hayashida、Jeremy Heyl、Wataru Iwakiri、Svetlana G. Jorstad、Vladimir Karas、Jeffery J. Kolodziejczak、Fabio La Monaca Simone Maldera、Alberto Manfreda、Alan P. Marscher、Herman L. Marshall、Ikuyuki Mitsuishi、Chi-Yung Ng、Stephen l.o’Dell’ Alessandro Papitto，George G. Pavlov，Abel L. Peirson，Matteo Perri，Melissa Pesce-Rollins，Maura Pilia，Andrea Possenti Brian D. Ramsey、Roger W. Romani、Carmelo Sgrò、Patrick Slane、Gloria Spandre、Toru Tamagawa、Fabrizio Tavecchio、Roberto Tatar Nicholas E. Thomas、Alessio Trois、Sergey Tsygankov、Roberto Turolla、Jacco Vink、Kinwah Wu、Fei Xie、Silvia Zane、 " polarized x-rays constrain the disk-jet geometry in the black hole x-ray binary cygnus x-1 "，Science，10.1126/science.add 55
理化研究所 開(kāi)發(fā)研究總部玉川高能宇宙物理研究室 研究員北口貴雄 主任研究員玉川徹 廣島大學(xué) 研究生先進(jìn)理工類科研科 研究生張思軒 航天科學(xué)中心 副教授水野恒史
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