“‘慧眼’新发现：高能X射线存在强度准周期变化

“‘慧眼’卫星发现，黑洞和中子星附近的物质发出的几十到上百千电子伏特能区的高能X射线存在强度的准周期变化，这是以前所有的天文望远镜都没有看到的。” 中科院高能物理研究所研究员、“慧眼”卫星系统有效载荷总设计师卢方军介绍。

“慧眼”——硬X射线调制望远镜(Insight-HXMT)卫星是我国第一颗X射线天文卫星。在轨运行两年多以来，“慧眼”开展了各类观测1000余次，已在国际主流天体物理杂志上发表(含接受)科学论文10余篇。

此前，“慧眼”卫星成功监测双中子星并合引力波事件电磁对应体和完成脉冲星导航实验的成果已经先后发布。10月26日开幕的第一届中国空间科学大会期间，“慧眼”卫星团队发布了“慧眼”卫星对X射线双星的系列观测结果。

开启研究黑洞系统新窗口

X射线双星是由黑洞或中子星与一个正常恒星组成的双星系统，正常恒星的物质在强引力作用下落向黑洞或中子星，形成围绕黑洞和中子星高速转动的物质盘(吸积盘)，并发出强烈的X射线辐射。

X射线双星的快速光变和能谱是研究强引力场、强磁场，以及物质在强引力场和强磁场下的动力学过程和辐射过程的主要探针。在轨期间，“慧眼”卫星对黑洞、中子星X射线双星进行了高精度、高频度的定点观测，

“‘慧眼’发现黑洞系统中迄今最高能量的准周期振荡现象，开启了研究黑洞系统的新窗口，使得人类可以研究非常靠近黑洞或中子星的物质的运动和辐射过程。”卢方军介绍。

准周期振荡(QPO)，即天体的流强在某个中心频率附近以多种频率变化的现象，是黑洞X射线双星系统的主要光变特征。其起源有多个理论模型，不但涉及到辐射区的几何结构、物质状态和辐射机制，也是验证广义相对论的重要预言“时空拖曳效应”的主要观测依据之一。

“慧眼”卫星将黑洞系统准周期振荡现象研究的最高能量从以往的30keV提高到100keV，强烈支持QPO信号的非热辐射起源，说明黑洞临近区域以非热高能物理过程为主。

对流行的千赫兹

QPO模型提出挑战

“慧眼”卫星在中子星X射线双星系统中发现了最高能量的千赫兹准周期振荡(QPO)，对广为认可的千赫兹QPO起源模型提出了严峻挑战。

天蝎座X-1(Sco X-1)是人类发现的第一个宇宙X射线天体，也是除太阳外天空中最亮的X射线源。

上个世纪末的观测发现，Sco X-1存在中心频率在千赫兹附近的QPO现象。虽然经过了20多年的观测和研究，其起源仍无定论，最流行的模型认为这对应于围绕中子星高速旋转的物质盘(吸积盘)内边缘的不稳定性，中心频率与旋转频率相当。

慧眼卫星首次在20 keV以上的能区观测到Sco X-1的千赫兹QPO，由于吸积盘的辐射以热辐射为主，光子能量难以到达这么高的能量，慧眼的观测结果对流行的千赫兹QPO模型提出了严峻的挑战。

首次验证关于光的

辐射压导致

吸积盘结构突变的理论

Swift J0243.6+6124是银河系内发现的第一个超亮X射线源。其光度极高，导致大部分望远镜被“亮瞎眼”，无法展开观测。

“‘慧眼’对其进行了国际上最为全面的观测，使我们能系统地研究其时变和能谱的演化。我们发现在特定X射线光度时，X射线脉冲轮廓(亮度的周期性变化曲线)两次发生突变，这是天文学家首次在中子星X射线双星系统中观测到脉冲轮廓随着光度增加相继突变两次的现象。”卢方军介绍。

“慧眼”的观测结果表明，脉冲轮廓在低光度时的突变，是由于吸积物质在中子星表面上的分布形状变化引起的：当光度较低时，吸积物质像土丘一样;而光度较高时，由于辐射压的影响，会形成吸积柱，导致脉冲轮廓变化。当光度进一步升高，吸积盘由气压主导变为光的辐射压主导，并从一个薄盘膨胀为厚盘，导致了功率谱的变化。

这一观测首次验证了半个多世纪前提出的吸积理论。但是，脉冲轮廓为何两次突变，仍然是一个谜。

为吸积物理研究

提供新“探针”

当中子星从伴星吸积的物质足够多时，会发生热核聚变反应，发出大量低能X射线(能量大多低于1keV)。这些X射线光子会与笼罩在中子星周围、温度高达几亿度的高温电子冕发生碰撞并降低电子的温度。

“慧眼”首次观测到中子星表面单个热核暴的X射线光子“阵雨”对温度高达几亿度高温电子冕的快速冷却现象，为研究高温电子冕的辐射和形成机制提供了“独门”探针。

这一观测现象最初由项目组利用美国卫星的观测数据发现，但当时需要累积十个以上的暴才能看到显著的信号。慧眼卫星由于在高能X射线波段很强的探测能力，首次高显著性地探测到单个热核暴产生的低能X射线光子对高温电子冕的冷却，冕的冷却和重新加热在1秒左右的时间内即能完成。

“慧眼”卫星还发现中子星表面的热核暴与围绕中子星运动的吸积盘之间可能发生剧烈的相互作用。这可能提供了限制物质盘最内半径的新方法。

为理解中子星提供新依据

回旋吸收线的能量直接对应着磁场强度，这是目前直接测量中子星磁场的唯一方法。

著名的中子星X射线双星Her X-1是首颗被观测到回旋吸收线的中子星，然而，其回旋吸收线的能量在过去的近二十年中呈现缓慢的下降，是中子星物理的未解之谜。

最近几年，观测发现其下降趋势有可能停止了。“慧眼精确地观测到了来自Her X-1的回旋吸收线，并且以超过5倍标准偏差的精度确定了回旋吸收线的能量不再下降，为理解中子星的性质提供了新的观测依据。”卢方军介绍。

科技日报记者 唐婷

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