太空探索：天文学家使用X射线追踪黑洞的形状！

天鹅座X-1是一个黑洞，靠近它附近的二元伴侣，一个年轻的蓝色超巨星。（图片来源：NASA / CXC / M.Weiss）。

在20世纪60年代早期由火箭传播的X射线探测器发现，天鹅座X-1是一个包含超巨星和恒星质量黑洞的二元系统。那个黑洞正在吸收物质 - 从它的同伴身上抽出气体并将它汇集成一个旋转的圆盘 - 并射出强大的喷气机。吸积和喷射形成的过程发出了我们在地球上可以探测到的X射线，但问题是，到底发生了什么？

以前，天文学家开发了两种可能的几何模型，用于接近黑洞的区域。现在，在最近发表在“自然天文学”上的一篇论文中，来自日本和瑞典的研究人员已经确定了最有可能的模型。他们发现这个特殊的黑洞至少有一个延伸的平坦吸积盘，在中心有一个球形的，延伸的加热气体云。

天鹅座X-1的黑洞

天鹅座X-1（也称为Cyg X-1）是我们银河系中最着名的黑洞之一。这是天文学家们认为是黑洞的第一个来源，也是Kip Thorne和Stephen Hawking之间着名的1974年赌注的主题。索恩打赌，Cyg X-1确实是一个黑洞，而霍金打赌它不是。到1990年，当大多数天文界都同意Cyg X-1的X射线来源是一个黑洞时，霍金承认赌注（随后，根据赌注的条件，买了索恩一年的订阅阁楼杂志）。

该系统距离天鹅座约有6,100光年远，它包含一颗年轻的蓝色超巨星（HDE 226868），大约是太阳质量的20倍，黑洞大约是太阳质量的15倍。它被称为高质量X射线二进制，因为伴星（超巨星）是巨大的，黑洞发出X射线。这两个轨道之间的距离仅为0.2天文单位（AU; 1 AU = 9300万英里[1.5亿km]），大约是水星绕太阳运行的距离的一半。（地球轨道为1 AU，供参考。）我们从系统收到的X射线每5.6天变化一次，这是超巨星和黑洞的一个轨道，以及每300天，天文学家认为应该到期飞机的进动。因为喷气式飞机不是直接上下射击（从我们的观点来看）。

当黑洞从它的同伴身上吮吸物质时，这个物质会旋转成一个吸积盘，向内移动，直到它最终落到事件视界并从视野中消失。吸积盘非常热 - 如此热，以至于它充满活力的光线：X射线甚至是伽马射线。天文学家目前关于黑洞周围吸积系统的图片包括扁平圆盘，以及热气体的球形“电晕”，它在黑洞附近发出硬（高能）X射线。最重要的是，Cyg X-1也有喷射器，它从事件视界附近垂直射出。天文学家并不确切知道导致喷气机的原因，尽管他们怀疑是磁场发挥作用。

测试的两个模型是灯柱模型（左），其中电晕是黑洞附近的紧凑区域，以及扩展模型（右），其中较大的电晕包围黑洞。在此图像中，黑点表示黑洞，吸积盘表示蓝色，电晕表示红色。（信用：Fumiya Imazato，广岛大学）

电晕在哪里？

天文学家使用两种主要的吸积盘和日冕模型来解释我们从Cyg X-1和其他类似系统中看到的X射线。第一个被称为灯柱模型，设想电晕是紧密结合黑洞的紧凑气体区域，但不包围它。在第二个模型中，扩展模型，电晕是一个更大的气体区域，完全包围黑洞。这两种模型产生不同的观察结果 - 根据系统的几何形状，来自圆盘和电晕的X射线被不同地弯曲或散射。为了区分这两个模型，研究人员使用了一种称为X射线偏振测量的技术：他们测量了入射X射线的方向 - 例如，

如果您很难想象，请考虑一个真实的例子。偏光太阳镜或雪地护目镜设计用于遮挡某些类型的光线 - 在这种情况下，来自太阳的可见光在某个方向上定向或振动，因为它在诸如雪的表面上反射。但是“这些射线（X射线和伽马射线）没有这样的'护目镜'，所以我们需要另一种特殊的治疗方法来指导和测量这种光的散射，”广岛大学的Hiromitsu Takahashi说，他是一位合着者研究报告中的新闻稿。

相反，该团队使用一种称为旋光仪的仪器，在称为PoGO +的气球上发射，测量X射线的方向，并找出它们是如何从吸积盘上反射出来的。从那里，他们可以向后工作以确定日冕的形状。如果日冕看起来像预想的灯柱模型，这样一个紧凑的区域应该显着地将光子弯曲到吸积盘，这将反射更多的光。如果看起来像扩展模型，则应该有较弱的引力影响，较少的X射线弯曲，以及较少的反射光离开磁盘。

当光以相同方向振动时发生偏振。这通常在光被反射时发生。在这个插图中，偏光太阳镜过滤掉散射光;因为X射线不存在这样的滤波器，所以本研究中的天文学家测量了所有入射光的偏振，以确定它的大部分是否被偏振（反射）。（信用：Masako Hayashi，CORE-U，广岛大学）。

结果？该团队仅观察到来自Cyg X-1的X射线光的弱弯曲（在技术方面，低极化分数）。他们得出结论，扩展电晕模型更准确地描述了该系统中正在发生的事情。利用这些信息，科学家现在可以更好地模拟黑洞周围的所有过程，因为他们知道磁盘和电晕的样子。特别是，他们可以更好地研究黑洞自身的旋转 - 据信Cyg X-1的事件视界每秒旋转大约800次，接近其最大速率。旋转速度可能影响黑洞周围的时空，也可能告诉天文学家更多关于黑洞的诞生和随时间的演变。

Cyg X-1只是一个开始。“天鹅座的黑洞是其中之一，”Takahashi说。“我们希望使用X射线偏振测量法研究更多的黑洞，就像那些离星系中心更近的黑洞。”这些信息可能使我们更接近理解黑洞如何演化，以及周围的星系。