中科院上海天文台极亮X射线源研究获进展,无核

来源:http://www.020tL.com 作者:云顶集团简介 人气:161 发布时间:2019-09-23
摘要:极亮X射线源(Ultraluminous X-ray sources;ULXs)指一类X射线波段发光功率高于3*1032瓦特(相当于1秒钟释放的能量要大于1032焦耳——约20亿亿个原子弹释放的能量)的X射线点源。极亮X射线源究

极亮X射线源(Ultraluminous X-ray sources; ULXs)指一类X射线波段发光功率高于3*1032瓦特(相当于1秒钟释放的能量要大于1032焦耳——约20亿亿个原子弹释放的能量)的X射线点源。极亮X射线源究竟本质上是什么,一直存在争论。目前有两种较受认可的模型,抑或是一个吞噬物质很快的恒星级质量黑洞,又抑或是一个吞噬物质较慢的中等质量(相当于几千倍太阳质量)黑洞。因此,如果知道中心天体质量,就可以解决这一争论。但难点在于,ULXs都在银河系以外的星系,离我们很远,无法使用现有的望远镜看到它们的细节。

中科院上海天文台极亮X射线源研究获进展

近日,中国科学院国家天文台高能天体物理研究团组在活动星系核1H 0707-495的X射线辐射中发现了一个高频准周期振荡信号。该研究结果已经发表在近期出版的美国《天体物理期刊通讯》(Astrophysics Journal Letter)上(潘海武,袁为民等, ApJL, 819, L19)。

中国科学技术大学天文学系王挺贵小组在近邻宇宙的无核球棒旋星系NGC 3319中心发现中等质量黑洞候选体,为超大质量黑洞的种子的形成机制提供了重要线索。相关成果于12月10日发表在《天体物理期刊》上。

ULXs发出的X射线光度并不是一直不变的,会产生近似周期性的闪动,称作准周期振荡。中央黑洞物质吸积率的变化、喷流的进动或中央黑洞吸积盘的进动等会产生X射线光度的准周期振荡。其中,观测由广义相对论效应引起的、中央黑洞吸积盘最内稳定轨道上的物质进动的周期数值,可以推断出黑洞的质量。因此,通过研究ULXs在X射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质。近日,中国科学院上海天文台研究员安涛等综合运用了时域和频域分析方法研究了一个具有代表性的ULX源的准周期振荡,探测到3个长时标的周期,并基于翘曲盘理论对观测现象进行了解释。该工作已发表于国际期刊《天文与天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)。

本报讯中科院上海天文台研究员安涛等研究了一个具有代表性的极亮X射线源的准周期振荡,探测到3个长时标的周期,并基于翘曲盘理论对观测现象进行了解释。相关成果发表于《天文与天体物理学》。

X射线的准周期振荡最早发现于黑洞X射线双星中。研究表明其产生机制应该和黑洞附近的气体动力学过程有关,可以提供黑洞的重要信息,如黑洞质量及自旋。目前在一些黑洞X射线双星中已经观测到显著的高频准周期振荡信号,该信号的频率和黑洞质量以及自旋的关系也引起了普遍关注。然而,在同样是黑洞吸积系统的活动星系核中,却鲜有高频准周期振荡的发现。目前唯一一例被大家所公认的活动星系核X射线高频准周期振荡发现于RE ‍J1034+396中(Gierliński et al 2008, Nature, 455, 369)。黑洞X射线双星中的黑洞质量在恒星量级,而活动星系核中心的黑洞都为超大质量黑洞(一般在105-109M⊙之间)。高能天体物理研究团组之前曾利用目前已有的高频准周期振荡探测源,发现由黑洞X射线双星得到的准周期振荡频率和黑洞质量的关系可以从恒星级质量黑洞区域延伸到超大质量黑洞区域,并指出这个关系应该是黑洞吸积系统的普遍尺度关系。然而,发现有准周期振荡信号的活动星系核非常稀少,仅有一例。因此,需要探测更多的活动星系核中的准周期振荡来验证这一普遍关系,这也有助于探索黑洞附近高频准周期振荡的起源。但是,在首个活动星系核中的高频准周期振荡被发现之后的8年中,国际上有不少研究团队努力在其他活动星系核中探测高频准周期振荡,均无果而终。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一类独特的时空结构,在中心存在奇点,它存在一个视界面,进入面内的所有物质包括光都无法逃脱最终落到奇点。目前已知的黑洞可以分为两大类:第一类质量在几倍到几十倍太阳质量之间,称作恒星级黑洞;另一类质量在几百万到几十亿太阳质量之间,称作超大质量黑洞,位于星系的中心。恒星级黑洞首先由理论预言其存在,是大质量恒星死亡留下的产物,它通过吸积伴星的物质产生明亮的X射线辐射而被观测到。超大质量黑洞的物理起源并不明确,它最初是为了解释类星体巨大的能量输出而被理论家提出,随后被近邻星系的恒星动力学测量等观测证实。不仅如此,人们还发现超大质量黑洞和寄主星系核球的性质紧密相关,强烈暗示着两者可能是共同演化的。于是,一个自然而然的问题就被提出,是否存在质量介于两类黑洞之间的中等质量黑洞,即质量位于几百到几十万倍太阳质量的黑洞?这类黑洞可能作为超大质量黑洞的种子,对于人们理解超大质量黑洞的形成与增长有非常重要的意义。

“目前共发现了20多颗ULXs,而NGC 5408星系中X射线波段最亮的这个名为“NGC 5408 X-1”的ULX有着时间跨度长达4.2年的监测数据,是最适合用于长时标准周期振荡的对象之一,这也是我们选择该源的主要原因。”该工作的第一作者安涛说。

极亮X射线源指一类X射线波段发光功率高于3×1032瓦特(相当于1秒钟释放的能量要大于1032焦耳——约20亿亿个原子弹释放的能量)的X射线点源。ULXs发出的X射线光度并不是一直不变的,会产生近似周期性的闪动,称作准周期振荡。通过研究ULXs在X射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质。

为了在活动星系核中寻找到新的高置信度的高频准周期探测,国家天文台研究人员利用XMM-Newton望远镜对一个窄线赛弗特1类型活动星系核样本的X射线观测数据,通过X射线光变的功率谱分析,系统地搜寻了它们的高频准周期振荡信号。在活动星系核1H 0707–495的一次约100ks的观测中,发现了显著的高频准周期振荡信号,其频率约为2.6×10-4Hz,置信度高于99.99%。同时,通过分析CTIO望远镜观测得到的1H 0707–495的光学光谱,并利用维里方法得到其中心黑洞质量约为5.2×106M⊙。1H0707-495的高频准周期振荡信号很好地符合了此前由高能天体物理研究团组提出的恒星级质量黑洞到超大质量黑洞这个跨越了六七个量级的区间内都成立的普遍尺度关系,这是对普遍尺度关系再一次强有力的验证。该研究还对目前有高频准周期振荡信号的恒星级质量黑洞和超大质量黑洞进行了分析,发现高频准周期振荡倾向于出现在具有高吸积率的吸积系统中,此发现将有助于相关理论模型的限制。

然而,发现中等质量黑洞一直是一个难题,这是因为它们距离比恒星级黑洞更远,但质量又比超大质量黑洞小,其产生的观测效应很弱,导致迄今可靠的候选体依然很有限。王挺贵小组采取了多波段交叉认证的方法在近邻宇宙成功发现一例极佳的候选体。该工作通过美国NASA的Chandra和欧空局的XMM-Newton两个目前最灵敏的X射线卫星在棒旋星系NGC 3319中心发现一个X射线点源,虽然其光度看起来更接近一般的超亮X射线源,但它的位置与哈勃太空望远镜的紫外和光学图像揭示的星系中心位置一致。综合分析其X-ray、紫外、光学的能谱分布,发现它与高吸积率的活动星系核高度一致,与ULX有显著差别。假设其爱丁顿吸积率为0.1,黑洞质量只有大约3千太阳质量,这可能是目前发现的星系中心最小的中等质量黑洞。用其他方法(如基本面关系、X射线光变等)估计的黑洞质量也小于10万倍太阳质量。

对时间序列作周期分析的常规办法是基于频域分析,就是通常所说的傅里叶变换。该工作则运用了通信领域常用的时域和频域同时分析的方法研究天体的动态功率谱。“时频域分析不仅能有效地探测出时间序列中隐藏的多个周期信号,还能提供这些周期对应的状态随时间的演化信息。”在桂林电子科技大学通信所从事信号处理研究工作的副教授王俊义说,他在该工作中负责时频域分析。

“目前共发现了20多颗ULXs,而NGC 5408星系中X射线波段最亮的这个名为‘NGC 5408 X-1’的ULX有着时间跨度长达4.2年的监测数据,是最适合用于长时标准周期振荡的对象之一,这也是我们选择该源的主要原因。”安涛说。

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该研究团队捕获到3个周期信号,分别对应的周期为2.65天、115.4天和189.1天。他们发现,周期为2.65天的成分在绝大多数时间里很连续出现并保持稳定的周期值,它还是幅度最强的周期信号;周期为189.1天的成分连续出现在整个观测时段,呈现出连续下降的趋势,从193天减小至181天,可视为一个持续的周期信号;相比之下,周期为115.4天的成分随着时间变化显著,在中间一段时间出现跳变,后面三分之一时段,该周期成分又回归到115天。

“NGC 5408 X-1出现了两个时间长达100天以上的周期信号,而且这两个信号表现出随时间变化的不稳定性,显然无法用双星轨道周期来解释。我们认为,它们很可能与翘曲吸积盘的进动相关。”安涛说。2.6天的周期成分有可能是NGC 5408 X-1双星系统的轨道周期,中等质量黑洞的可能性依然存在。这也是首次给出了该源3个周期成分并存的理论解释。

图1 1H 0707-495的功率谱,在2.6×10-4Hz处的峰值即为寻找到的高频准周期振荡信号,虚线为通过蒙特卡洛模拟得到的99.99%的置信度对应的信号强度。

“NGC 5408 X-1出现了两个时间长达100天以上的周期信号,而且这两个信号表现出随时间变化的不稳定性,显然无法用双星轨道周期来解释。我们分析认为,它们很可能与翘曲吸积盘的进动相关。”安涛说。那么为什么观测到两个进动周期呢?一个可能性是,吸积盘在一些非线性流体动力学效应下断裂成内外两部分,它们因到中心距离不同而具有不同的进动周期,刚好对应于研究人员看到的两个长周期振荡成分。2.6天的周期成分有可能是NGC 5408 X-1双星系统的轨道周期。从这个意义上说,中等质量黑洞的可能性依然存在。这也是首次给出了该源3个周期成分并存的理论解释。

《中国科学报》 (2015-12-22 第4版 综合)

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“时频域的动态功率谱分析提供了周期成分随着时间的变化的更多细节,有助于区辨天体周期光变的物理本质。”安涛展望说,“我们现在正积极参与和推动SKA项目的进展,相信SKA的顺利建成和运行,将大大提高射电波段的探测灵敏度和分辨率。将来利用SKA对ULXs的中心黑洞进行成像观测,可以更明确地揭示ULXs的物理本质。”

图2 高频准周期振荡频率和中心黑洞质量关系。实线为从左上角的三个X射线双星得出的普遍尺度关系并外推到超大质量黑洞的范围,1H 0707–495出现在右下角五角星标记处。虚线和点线分别为利用3:2的共振模型计算得到的自旋为零和极大时对应的情况。

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左图:NGC 5408 X-1在测试周期为2.4天至2.8天内的频域和时频域分析结果;右图:NGC 5408 X-1在测试周期为2天至300天内的频域和时频域分析结果。

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