黑洞周围的环

这张图片展示了围绕黑洞的一组壮观的环，是由美国宇航局的钱德拉 X 射线天文台和尼尔·盖雷斯·斯威夫特天文台拍摄的。巨环的 X 射线图像揭示了我们银河系中尘埃的信息，其原理与在医生办公室和机场进行的 X 射线相似。这个黑洞是名为 V404 Cygni 的双星系统的一部分，距离地球约 7,800 米。黑洞正在积极地将物质从一颗伴星（质量约为太阳的一半）拉到一个围绕着隐形物体的圆盘中。这种物质会在 X 射线中发光，因此天文学家将这些系统称为“X 射线双星系统”。 2015 年 6 月 5 日，斯威夫特发现了天鹅座 V404 的 X 射线爆发。这次爆发从一种称为光回波的现象中产生了高能环。当来自黑洞系统的一阵 X 射线从天鹅座 V404 和地球之间的云层反弹时，会产生天鹅座 V404 周围的光回波，而不是从峡谷壁上弹回声波。宇宙尘埃不像家庭灰尘，而是更像烟雾，由微小的固体颗粒组成。在这张合成图像中，钱德拉（浅蓝色）的 X 射线与夏威夷泛星望远镜的光学数据相结合，显示了视野中的恒星。该图像包含八个独立的同心环。每个环都是由 2015 年观察到的天鹅座 V404 耀斑的 X 射线产生的，这些耀斑反射了不同的尘埃云。 （一幅艺术家的插图解释了钱德拉和斯威夫特看到的戒指是如何产生的。为了简化图形，插图只显示了四个而不是八个。）由麦迪逊威斯康星大学的塞巴斯蒂安·海因茨领导的一个研究小组分析了 50 斯威夫特2015 年 6 月 30 日至 8 月 25 日期间对该系统进行的观测，以及 2015 年 7 月 11 日至 25 日的钱德拉观测。这是一次如此明亮的事件，钱德拉的操作员特意将天鹅座 V404 置于探测器之间，以便再次出现明亮的爆发不会损坏仪器。这些环不仅告诉天文学家黑洞的行为，还告诉天文学家 V404 Cygni 和地球之间的景观。例如，X 射线中环的直径揭示了光弹离的中间尘埃云的距离。如果云离地球更近，环看起来更大，反之亦然。光回波表现为窄环而不是宽环或光晕，因为 X 射线爆发只持续了相对较短的时间。研究人员还使用这些环来探测尘埃云本身的特性。他们将 X 射线光谱（即 X 射线在一定波长范围内的亮度）与具有不同成分的灰尘的计算机模型进行了比较。不同的尘埃成分将导致不同数量的低能量 X 射线被钱德拉吸收并被阻止检测。这与我们身体的不同部位或行李如何吸收不同数量的 X 射线的原理类似，从而提供有关其结构和成分的信息。该团队确定尘埃很可能包含石墨和硅酸盐颗粒的混合物。此外，通过用钱德拉分析内环，他们发现尘埃云在各个方向的密度并不均匀。以前的研究假设他们没有。

一篇描述天鹅座 V404 结果的论文发表在 2016 年 7 月 1 日的《天体物理学杂志》（预印本）上。该研究的作者是 Sebastian Heinz、Lia Corrales（密歇根大学）；兰德尔·史密斯（天体物理学中心 | 哈佛和史密森尼）； Niel Brandt（宾夕法尼亚州立大学）； Peter Jonker（荷兰空间研究所）； Richard Plotkin（内华达大学里诺分校）；和乔伊尼尔森（维拉诺瓦大学）。这一结果与 X 射线双星 Circinus X-1 的类似发现有关，它包含一颗中子星而不是一个黑洞，发表在 2015 年 6 月 20 日的《天体物理学杂志》上，题为“指环王：从巨型 X 射线光回波到 Circinus X-1 的运动距离”（预印本）。这项研究也是由塞巴斯蒂安·海因茨领导的。每年都有多篇论文报告了 2015 年天鹅座 V404 爆发导致这些环的研究。之前的爆发是在 1938 年、1956 年和 1989 年记录的，因此天文学家可能还有很多年的时间来继续分析 2015 年的爆发。更多信息：S. Heinz 等，A Joint Chandra and Swift View of the 2015 X-Ray Dust Scattering Echo of V404 Cygni，The Astrophysical Journal (2016)。 DOI：10.3847/0004-637X/825/1/15，arxiv.org/abs/1605.01648