探尋宇宙的奧秘：X射線新技術揭示黑洞周圍從未見過的物質

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

天鵝座X-1(源)（Cygnus X-1）是一個位於天鵝座的星系x射線源，它是在1964年的一次火箭飛行中被發現的，並且是從地球上的觀測來看最強大的x射線源之一。

天鵝座X-1屬於高質量的x射線雙星系統（X-ray binarysystem），距離我們的太陽大約有6070光年遠，據估計，該雙星系統中黑洞的質量約為太陽質量的14.8倍。另外一個天體是一顆藍色的超巨星變星（bluesupergiantvariable star）。來自這顆恆星的恆星風則為x射線源（黑洞）周圍的吸積盤提供了可吞噬的物質材料。吸積盤內盤的物質被加熱到數百萬度，進而產生我們觀察到的X射線。

近期，在日本和瑞典的國際合作中，科學家們通過研究闡明了引力如何影響天鵝座X-1雙星系統中黑洞附近物質的形狀。相關論文發表在本月的《自然天文學雜誌（Nature Astronomy）》上。這一發現或許可以幫助科學家們進一步了解強引力的物理原理以及黑洞和星系的演化。

研究小組採用了一種新技術，它的名稱是X射線偏振測定（X-ray polarimetry）。

天鵝座X-1雙星系統的藝術概念圖。(Image: NASA, ESA, Martin Kornmesser)

若想給黑洞拍照可不是件容易的事，首先，我們不可能直接觀測到黑洞，因為光線都無法逃脫它的引力。所以，科學家們並不是直接觀察黑洞本身，而是通過觀察靠近黑洞的物質發出的光來研究黑洞。正因為如此，天鵝座X-1雙星系統是一個很好的觀測對象，因為該系統中的恆星的物質圍繞著黑洞形成了吸積盤。

我們看到的大多數光，就像陽光一樣，在許多方向振動。通過偏振濾光可以使光在一個方向上振動。這個原理與帶著偏振鏡的雪鏡能讓滑雪者更容易看到他們下山的地方一樣——因為偏振濾光能削減由雪反射的光線。

圖：偏振濾光 (Image: Masako Hayashi, CORE-U, Hiroshima University)

「黑洞周圍的硬X射線也是同樣的情況，」研究人員介紹，來自黑洞周圍的硬X射線和伽馬射線能夠穿透濾光器，對於這些射線，沒有有效的」護目鏡」，因此需要另一種特殊的方法來測量這種散射光。

研究團隊需要弄清楚兩個問題：光線從哪裡來，以及它在哪裡散射。為了進行這兩種測量，他們發射了一個搭載著X光偏振計的氣球並稱之為PoGO+，通過這種方法，研究團隊可以拼湊出吸積盤反射出的硬x射線的比例，並確定物質的形狀。

圖：PoGO+及其團隊。(Photo: Hiromitsu Takahashi)

有兩個相互矛盾的模型可以描述在一個雙星系統中，比如天鵝座X-1的黑洞附近的物質看起來是怎樣的：燈桿（lamp-post）模型和擴展模型（extended model）。在燈桿模型中，冕（corona）是緊湊（compact）的，並且與黑洞緊密結合在一起。光子向吸積盤彎曲，產生更多反射光線。在擴展模型中，冕相對更大，並散布在黑洞附近，在這種情況下，吸積盤反射的光線較弱。

通過觀測，科學家發現，由於光線在黑洞的引力作用下並沒有產生那麼大的彎曲，因此他們的結論是天鵝座X-1的黑洞符合擴展的冕模型。

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