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未来X射线望远镜限制黑洞吸积历史的展望

绝大多数的星系中心都有一个超大质量黑洞,这些黑洞的形成演化是天体物理的重要问题。对黑洞自旋的研究有助于解开这一谜题。最近,我系的博士后张小霞方陶陶教授,与国家天文台的陆由俊研究员、上海交通大学的王丹丹博士合作,预言了下一代X射线探测器对黑洞成长历史的限制能力。他们的研究表明,未来如eXTP、Athena这样的卫星,若能测量100个超大质量黑洞的自旋,就能对黑洞的吸积历史做出很好的限制。

宇宙中的大多数天体都具有角动量,同样,黑洞也可以是旋转的。黑洞旋转的快慢由自旋参量描述,自旋包含黑洞成长演化的重要信息。黑洞成长的主要方式是通过吸积周围气体,气体掉落方式的差异将导致截然不同的自旋演化。例如,持续的、沿同一方向的角动量注入会增大黑洞的自旋,而小片段的、方向随机的吸积会降低黑洞的自旋。因此,可以通过测量黑洞的自旋分布获得黑洞吸积历史的信息。

观测上,自旋可以通过相对论铁线的轮廓加以估计,铁线主要是由高温冕对吸积盘内区的照射产生的。广义相对论告诉我们,黑洞的自旋决定了吸积盘所能延伸的离黑洞最近的距离,即吸积盘的内边界。黑洞旋转地越快,内边界越小,铁线轮廓的相对论效应也就越明显,表现为谱线的增宽。利用这个原理,通过Chandra、XMM-Newton等X射线卫星,天文学家已经测量了二十多个超大质量黑洞的自旋。这个方法对类星体光谱的信噪比要求比较高,而且要求铁线有足够的强度,因此目前的自旋样本还十分不足,而且测量误差较大。

未来,我国预计于2025年发射eXTP空间天文台,它拥有最大面积准直和聚焦X射线望远镜阵列,可以将自旋的测量精度提高至10%-20%。由欧空局研制的Athena天文台预期2031年发射,它拥有最大的单口径聚焦X射线望远镜,自旋的测量精度可以达到0.04。另外,Lynx、STROBE-X 等未来探测器也将黑洞的自旋测量作为重要的科学目标之一。张小霞等人等工作为未来的自旋测量提供了理论支撑。目前该文章已发表在《天体物理学杂志》上。

图注:不旋转黑洞与旋转黑洞的吸积盘内边界差异(上)、以及对应的类星体X射线光谱的铁线特征(下)。图片来源:NASA/CXC/M.Weiss; Spectra: NASA/CXC/SAO/J.Miller et al.

文章链接:https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ...896...87Z/abstract



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