星空万象

现在大家都知道在我们银河系的中心潜藏着一个超级黑洞，质量大约是我们太阳的400万倍。在我们银河系中还有千千万万的小黑洞，根据不同的方法估计，这些小黑洞的数量在一千万到一亿之间，这种黑洞是大质量恒星死亡后的最终归宿。相当一部分的这种小黑洞是在一个双星系统中，也就是由一颗正常恒星和一颗黑洞相互绕转组成的。

众所周知，黑洞的引力是非常强大的，如果伴星离它太近，一些伴星的物质就会被黑洞吸引，最终落入黑洞。在这个过程中会释放巨大的引力能，这些引力能的一部分会加热下落的物质，在非常靠近黑洞的地方，可以把它们加热到几百万度甚至上亿度，能量转化效率比核聚变还要高得多。这么炽热的物质辐射出非常强烈的X射线，因此这种类型的双星也叫做黑洞X射线双星。

天鹅座X-1便是第一颗被发现的黑洞X射线双星，是发现于20世纪60年代的第一批X射线天体之一。在发现后不久，一些天文学家就推测天鹅座X-1是一颗蓝巨星和一颗黑洞相互绕转的双星系统，蓝巨星有很强烈的星风，这些星风物质被黑洞吸积，从而释放出高能的X射线辐射。关于这个天体是不是黑洞，著名物理学家霍金和索恩还打了一个赌，霍金在他的畅销书《时间简史》记述了这场赌局，霍金打赌天鹅座X-1不是黑洞，最终他还是输了。今年发表在《科学》杂志的最新精确测量表明，天鹅座X-1距离我们大约7200光年，它的黑洞质量是我们太阳的21倍，是我们银河系中已知质量最大的恒星级黑洞。

图1. 左图是光学DSS巡天的光学图像，红色方框里面就是天鹅座X-1中的蓝巨星；右图是天鹅座X-1的艺术想象图。（图片来源：https://chandra.harvard.edu/photo/2011/cygx1/）

1970年第一颗X射线卫星Uhuru上天之后，对天鹅座X-1进行了观测，发现它的X射线流量在0.1秒到10秒量级的时间内就会发生剧烈变化。起初，人们以为这些变化是周期性的，后来随着越来越多观测积累，发现它们是一些不规则的X射线闪耀。X射线流量随时间变化的特征能够告诉我们非常多物理信息。

如果变化是周期性的，很可能是由于吸积物质在沿着某个轨道做周期运动，也有可能是一颗脉冲星；如果是随机无序的，可能对应于吸积中的湍流；研究X射线流量随时间的快速变化是X射线天文中一个重要的方向。在1995年底，NASA发射了一颗卫星名叫罗西X射线时变探测器（Rossi X-ray Timing Explorer ，RXTE），主要的科学任务就是探索银河系中黑洞和中子星X射线双星的X射线流量的快速变化。

在分析X射线流量随时间的变化中，经常会用到一种数学方法叫做傅里叶变换，是18世纪法国科学家约瑟夫·傅里叶最早提出的，可以把流量随时间的变化分解为不同频率信号的叠加，叫做功率谱。这个数学方法的应用非常广泛，尤其是快速傅里叶变换的算法提出来之后，在很多领域都会利用计算机进行傅里叶分析，比如在音频、通信、图像领域等等。如果你在听音乐时想要很强的低音效果，那么就需要把声波经过傅里叶变换，找出频率较低的低音部分来增强。

图2. 左图是吉他弦音的波形，右图是傅里叶变换得到的频率谱，可以清楚看到两个低频和高频的信号。感兴趣的可以在网站听一下，低频和高频滤波后的声音。（图片来源：https://pages.vassar.edu/magnes/2019/05/12/studying-and-modeling-guitar-harmonics-using-fourier-analysis/）

天文学家把天体的X射线流量变化通过傅里叶变换产生功率谱（如图3），显示了X射线流量在各个不同频率上变化的幅度，这样就更容易提取出光变特征。比如随机白噪声的功率谱，功率也是随机分布的，但是平均值是一个常数（图3上）；如果是随机噪声中有一个周期变化，功率谱上就会看到相应频率（周期倒数）的功率非常大（图3中），显著超过噪声的功率；还有一种变化很接近周期性但又不是完全周期的，叫做准周期振荡（quasi-periodic oscillation），它的功率谱上就会显示出一个尖峰叠加在噪声的功率上（图3下）。

准周期振荡现象最早是阿姆斯特丹大学的Michiel van der Klis教授于1985年在中子星X射线双星中发现的。后来也在黑洞X射线双星中探测到，甚至吸积的超大质量黑洞、白矮星等不同吸积系统都探测到了准周期振荡现象，但是这些不同吸积系统中的准周期振荡现象可能存在不同的起源，但是迄今为止我们还没有搞清楚这些机制。

图3. 左边一列是X射线随时间变化的曲线，右边一列是相应的傅里叶变换功率谱。（图片来源：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1988SciAm.259e..50V/abstract）

天鹅座X-1是银河系中已知的唯一拥有大质量伴星的黑洞。在天鹅座X-1之后，天文学家们陆续发现了70颗左右的黑洞X射线双星，但是它们中的绝大多数伴星质量都很小，一部分物质因为溢出洛希瓣而被黑洞吸积。这些小质量X射线双星展现出非常丰富的准周期振荡现象，对应的周期从几毫秒到十秒时标不等。在RXTE卫星运行的16年间，人们对这些现象开展了大量研究，获得了丰硕的成果。天文学家们认为这些准周期振荡现象和黑洞附近物质的高速运动有关，也和黑洞强大引力产生的时空拖曳效应有关。天鹅座X-1是RXTE卫星观测最多的黑洞X射线双星之一，但是在天鹅座X-1中探测到的准周期振荡和小质量黑洞X射线双星的特征并不一致，关于它的机制也还是个未解之谜。

慧眼卫星是我国首颗X射线天文卫星，可以测量天体的X射线流量在小于1毫秒时间内的变化，从而追踪黑洞或者中子星附近物质的极其高速的运动，而且覆盖很宽的X射线能量范围（1~250keV）。天鹅座X-1是其第一个科学观测对象，在2017年6月发射升空之后，就随即开展了对天鹅座X-1的观测。上海天文台的研究人员近期分析了慧眼对天鹅座X-1的观测数据，在曝光时间最长的一次观测中，显著地探测到一个频率在88毫赫兹的准周期振荡信号，而且这个信号只存在一段时间，随后就消失了。类似的准周期振荡在RXTE时代从未在50keV以上的高能X射线能量范围探测到，因此，该结果充分显示了我国慧眼卫星在高能X射线的观测优势。

图4. 慧眼卫星三个仪器低能，中能，和高能探测器对88毫赫兹准周期振荡信号的独立探测。（图片摘自Yan, Rappisarda & Yu, 2021, ApJ,919,46）

无独有偶，在大麦哲伦星云中有一颗和天鹅座X-1类似的黑洞X射线双星，叫做LMC X-1，它也拥有一个蓝巨星作为伴星，黑洞通过吸积蓝巨星的星风辐射强烈的X射线。天文学家们在它的X射线中两次探测到了几十毫赫的准周期振荡（一次27毫赫兹，一次80毫赫兹），和此次慧眼卫星在天鹅座X-1的探测一样，都是在所谓的“软态”（也就是低能X射线辐射为主的状态）下探测到的准周期振荡，而且都是只存在了一小段时间就消失了。另外，通过洛希瓣吸积的黑洞X射线双星中的准周期振荡是在所谓的“硬态”（也就是高能X射线辐射为主的状态）发现的，频率也大都高于100毫赫兹，研究人员推测在星风吸积的大质量黑洞X射线双星中发现的准周期振荡应该有不同的起源，很可能和星风吸积模式有关。研究人员希望未来能够利用我国的慧眼卫星对更多的星风吸积X射线双星进行研究，解决这一类型的准周期振荡的起源问题。

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