天文学家使用“宇宙回声位置”绘制黑洞周围环境

黑洞电晕的动态行为（艺术家的印象）。

落入黑洞中的物质会将X射线投射到太空中-现在，天文学家已使用这种辐射的回波来绘制黑洞本身的动态行为和周围环境。

大多数黑洞在天空上都太小了，我们无法确定它们的周围环境，但是我们仍然可以通过观察物质在它们接近和掉入时的行为来探索这些神秘的物体。

当物质向黑洞盘旋时，它被加热并发出X射线，X射线在与附近的气体相互作用时反过来回荡和回荡。这些空间区域由于黑洞的极端性质和极强的重力而高度变形和扭曲。

现在，研究人员已经使用了欧洲航天局的XMM-牛顿X射线天文台来追踪这些光回波，并绘制出处于活跃星系核心的黑洞周围的地图。他们的结果发表在《自然天文学》杂志上。

黑洞的宿主星系名为IRAS 13224-3809，是天空中变化最大的X射线源之一，其亮度在短短几小时内就发生了非常大且迅速的亮度波动，约为50倍。

博士说：“每个人都比较在教室里说话时的声音回声与大教堂时的声音回声不同-这仅仅是由于房间的几何形状和材料，导致声音的行为和弹跳不同。”剑桥天文研究所的威廉·阿尔斯顿（William Alston）是这项新研究的主要作者。

“以类似的方式，我们可以观察到X射线辐射的回声如何在黑洞附近传播，以便绘制出区域的几何形状以及一团物质在消失为奇点之前的状态。有点像宇宙回波定位。”

由于流入气体的动力学与消耗黑洞的性质紧密相关，因此阿尔斯顿和他的同事还可以通过观察物质向内旋转的特性来确定星系中央黑洞的质量和自旋。

材料落入黑洞时会形成圆盘。在该圆盘上方是一个热电子区域，其温度约为十亿度，称为电晕。尽管科学家希望看到他们用来绘制该区域几何形状的混响回声，但他们也发现了一些出乎意料的事情：电晕本身的尺寸在几天之内迅速变化。

“随着电晕的大小变化，光的回声也会发生变化-有点像大教堂的天花板在上下移动，从而改变了声音的回声发声，” Alston说。

“通过跟踪光的回声，我们能够跟踪到这种变化的电晕，而且，更令人兴奋的是，黑洞的质量和自旋得到的值比电晕的大小没有变化时要好得多。我们知道黑洞的质量不会波动，因此回声的任何变化都必须归因于气体环境。”

这项研究使用了XMM-Newton所观测到的不断积聚的黑洞的最长观测结果，该黑洞在2011年和2016年收集了16个航天器轨道，总计200万秒-仅用了23天。结合黑洞本身的强烈和短期变化，Alston和合作者可以在一天的时间范围内对回波进行全面建模。

这项研究所探索的区域对像事件地平线望远镜这样的天文台来说是无法进入的，该望远镜设法在黑洞附近拍摄了有史以来的第一张气体照片，即位于附近巨大星系M87中心的气体。根据2017年在世界各地用射电望远镜进行的观察并于去年发布的结果，这一结果引起了全球轰动。

“ Event Horizo​​n Telescope影像是使用称为干涉测量法的方法获得的，该技术只能在距地球最近的几个超大质量黑洞中工作，例如M87和我们家银河系中的黑洞，因为它们的视在大小共同作者迈克尔·帕克（Michael Parker）说，它足够大，足以使这种方法起作用。他是马德里附近欧洲太空天文学中心的ESA研究人员。

“相比之下，我们的方法能够探测到近百个正在积极消耗物质的超大质量黑洞，而且随着ESA雅典娜卫星的发射，这个数目将大大增加。”

ESA雅典娜任务的核心科学目标是表征黑洞周围的环境，该任务计划于2030年代初发射，并将揭示炽热而充满活力的宇宙的秘密。

测量大量黑洞样品的质量，自旋和吸积率是了解整个宇宙重力的关键。此外，由于超大质量黑洞与它们的宿主星系的属性紧密相关，因此这些研究对于进一步了解银河系随时间的形成和演化的方式也至关重要。

ESA XMM-Newton项目科学家Norbert Schartel说：“ XMM-Newton提供的大型数据集对于取得这一结果至关重要。”“混响映射是一种有望在未来几年揭示出更多有关黑洞和更广阔的宇宙的技术。我希望XMM-Newton在未来几年内将对多个活跃星系进行类似的观测活动，以便在Athena发射时完全确立该方法。”

首次阅读XMM-Newton绘制的黑洞动态行为和环境，以获取有关此发现的更多信息。

参考：William N. Alston，Andrew C. Fabian，Erin Kara，Michael L. Parker，Michal Dovciak，Ciro Pinto，Jiachen Jiang，Matthew J. Middleton撰写的“通过X射线混响映射在活跃银河系中形成的动态黑洞电晕”，乔凡尼·米尼蒂（Giovanni Miniutti），多米尼克·沃尔顿（Dominic J.Walton），丹·威尔金斯（Dan R. ，Andrew J. Young和Abderahmen Zogbhi，2020年1月20日，自然天文学。DOI：
10.1038 / s41550-019-1002-x