RXTE深入黑洞的喷流
Francis Reddy
译自NASA，2010年7月1日
几十年来，X射线天文学家业已研究了由一颗普通恒星与一个黑洞组成的双星系统复杂的行为。在这样的系统中，来自普通恒星的物质流向黑洞，并在其周围形成盘状结构。盘内的摩擦力将气体加热到几百万度，这足以发出X射线辐射了。在盘面内边缘靠近黑洞的地方，强磁场将部分气体抛出，形成方向相对的双向喷流，喷流以接近光速之半的速度向外冲出。
这是大体的图景，但是细节是难以捉摸的。举例来说，大部分X射线辐射是来自喷流？还是盘面？还是来自黑洞边界的高能区域？
XTE J1550-564是一个双星系统，其中一个高度演化的恒星环绕着一个黑洞运转，并且向后者提供物质。黑洞的估计质量相当与太阳的10倍。大图请点击（图片提供：ESO/L. Calçada）
现在，天文学家使用NASA的罗西X射线时变探测器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）并结合可见光、红外和射电数据，发现有时大部分X射线是源于喷流的。
阿姆斯特丹大学的博士后、相关研究论文的第一作者戴维·拉塞尔（David Russell）说：“多年来，理论模型就已经提出了这种可能性，但是这是我们第一次通过多波段分析确认了这一点。”
拉塞尔与他的同事分析了被很好地研究过的黑洞双星系统XTE J1550-564的爆发。该系统位于南天的矩尺座，距离地球17000光年，其中包括一个质量大约10倍于太阳的黑洞。这一通常不引人注目的双星是由RXTE于1998年发现的，当时它成为天空中最为明亮的X射线源之一。
2000年4月到7月之间，该系统发生了又一次爆发。RXTE在X射线波段监测了这一事件，NASA的钱德拉X射线天文台也提供了额外的帮助。涵盖此次爆发的可见光与红外数据来自智利托洛洛山美洲天文台的YALO一米望远镜，而射电数据是由澳大利亚致密天线阵（Australia Telescope Compact Array）采集的。
2000年4月，XTE J1550-564发生了爆发。蓝色曲线表示NASA的罗西X射线时变探测器探测到的该系统X射线能量和亮度变化。插入的小图说明，X射线据信是源于黑洞附近区域的。从6月到9月，该系统的粒子喷流产生了大部分的X射线辐射。大图请点击 印刷质量的图片请点击（图片提供：NASA/RXTE）
根据这些数据，拉塞尔与他的小组重新构筑了爆发期间X射线辐射的详细图景。这一研究刊登在7月1日出版的《英国皇家天文学会月刊》上。
拉塞尔解释道：“我们猜测，这些爆发与落向黑洞的物质质量增加有关。关于发生那里的事情，发出辐射的位置以及原因是我们所拥有的唯一证据”
当爆发在2000年4月中旬开始时，系统最为明亮的X射线辐射由高能（“硬”）X射线主导，这种辐射起源于非常靠近黑洞的区域。
拉塞尔说：“我们认为，这样的X射线辐射源是甚高能电子区，它们在盘面最内缘周围形成了盘冕。”当这些电子与可见光光子相遇后，撞击将光子能量提升到了硬X射线能段上，这一过程叫做逆康普顿散射。这时存在喷流，不过只是个小角色。
在接下来的2周里，峰值X射线辐射转移到了低（“软”）能段上，看起来是源自吸积盘中致密气体的。同时，炽热的盘面停止了为喷流供能的某种机制，关闭了喷流。
1995年进行发射前测试工作的罗西X射线时变探测器。大图请点击（NASA/GSFC）
2000年5月底，XTE J1550-564的吸积盘已经冷却到了足够低的温度，喷流重新启动。大部分X射线辐射（较暗但能量较高）又一次由黑洞附近高能电子的散射而产生。
6月初，当系统变暗且峰值辐射逐渐变软的时候，喷流作为主力X射线源登场了。在喷流中，以光速相当比例运动的正负电子在遭遇磁场的时候会发出辐射，这一过程名为同步辐射。
喷流需要对万亿电子伏特能量粒子的持续供应，这样的能量相当于可见光的几十亿倍。拉塞尔说：“束缚在喷流中的总能量相当惊人，远比先前设想的要大。”
随着夏季逐渐过去，喷流变弱，其X射线辐射也逐渐变软。到了9月，该系统最为明亮的X射线来自先前爆发过程中喷流抛向宇宙空间的高速物质团。
拉塞尔补充说：“很大程度上由于有了RXTE，我们确实已经开始处理这种极端系统的‘生态’了。我们可以把从XTE J1550这样邻近双星中学到的东西运用到星系中央的超大黑洞以及喷流上去。”
1995年发射的RXTE依旧风头强劲。来自马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天中心的任务科学家托德·斯特罗梅耶（Tod Strohmayer）说：“在当下仍旧在役的NASA航天器中，只有哈勃空间望远镜的工作时间比它更长了。”RXTE独特的能力为吸积黑洞以及中子星提供了见解，并使其能够探测短而暗淡的爆发，而当下探索X射线能段的其他项目很容易错过这样的爆发。
