中国科学院上海分院

上海天文台科研团队在黑洞双星X射线光变起源研究中取得突破

发布时间：2025-07-02 【字体：大中小】【打印】【关闭】

近日，中国科学院上海天文台余文飞研究员课题组在黑洞双星的X射线快速光变研究中取得重要进展。相关研究成果于6月20日在线发表在国际天文学学术期刊《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。

银河系内多数黑洞和中子星双星是高能暂现源，在偶尔发生的吸积爆发过程中，黑洞或中子星通过吸积来自伴星的物质，在致密天体附近释放引力能并主要产生X射线辐射，使得其X射线辐射中携带了黑洞和中子星及其附近强引力场等关键信息，X射线光变成为探测致密天体性质及强引力场、强磁场物理的重要观测手段。黑洞和中子星X射线双星的X射线光变，在傅里叶功率谱上做区分，主要包括幂率噪声（Power-Law Noise,PLN）、带限噪声（Band-limited Noise,BLN）和准周期振荡信号（Quasi-Periodic Oscillations,QPOs）等，其中BLN是黑洞和中子星（小质量）X射线双星在X射线硬谱态和中间谱态主要光变成分。

在此次研究中，上海天文台科研团队利用慧眼卫星对暂现黑洞双星MAXI J1820+070吸积爆发的观测，发现在硬谱态和中间谱态主要光变成分BLN的特征频率范围具有明显的光子能量依赖：随着光子能量增加，该平台分别向高频（> 10 Hz）和低频（< 0.1 Hz ）两端同时扩展，相对光变幅度随光子能量的增加反而下降；该趋势的极限将非常类似X射线软谱态观测到的、由吸积盘黑体辐射产生的幂率光变成分。该研究揭示了BLN的特征光变来自吸积盘局域范围的种子光子携带的原初盘光变信息，这些种子光子通过逆康普顿过程产生了观测到X射线光变，也同时揭示了吸积和辐射几何。由于黑洞和中子星小质量X射线双星BLN具有统一的起源，该项研究成果很可能解决了黑洞和中子星小质量X射线双星中带限噪声X射线光变成分起源的问题。

22年前，余文飞和国外合作者针对黑洞和中子星暂现双星爆发的研究表明，暂现黑洞和中子星低质量X射线双星中的主要光变成分如BLN和低频QPO具有对应的统一起源（Yu et al. 2003）；大约12年前，上海天文台科研团队率先发现黑洞双星时变-功率谱态实际上是光子能量依赖的，与观测能段对应的主要谱成分有关，这颠覆了黑洞双星X射线时变功率谱态的图像（Yu & Zhang 2013）；大约10年前，团队进一步发现黑洞双星中BLN高频端的特征频率与光子能量依赖（Stiele & Yu 2015）。此项研究又发现BLN低频端的特征频率也具有光子能量依赖，与之前发现的BLN高频端特征频率的光子能量依赖形成了完整图像，揭示BLN功率平台（及其特征频率）的本质起源。由于先前的研究确定了黑洞和中子星X射线双星中的X射线BLN和低频QPO具有对应的统一起源，此项研究因此很可能解决了小质量X射线双星中的X射线带限噪声光变成分的起源问题，也揭示与之对应的吸积和辐射几何图像。

此项工作的第一作者、上海天文台博士生高晨旭表示:“如果没有这次BLN功率平台低频特征频率随光子能量依赖的发现，我们可能就无法形成对BLN的整体认识，也就不会触及黑洞X射线快速光变起源这个重要问题”。该论文的通讯作者余文飞研究员指出，研究黑洞和中子星双星的快速光变是探测强引力场效应和揭示致密天体基本性质的重要手段，我们长期以来的探索和发现，形成了包含光子能量依赖的整体时变图像和物理视角，这为我们利用慧眼卫星的宽能段高能观测取得这个新发现奠定了基础。