天文学家从一个恒星级黑洞那儿看到了黑洞冕区域的X射线反光，发现冕区正在大幅减小……这可是难得一见的现象。它好像还一不小心向我们透露了黑洞演化的奥秘。

黑洞MAXI J1820+070艺术画（来源：Aurore Simonnet/NASA’s Goddard Space Flight Center）

近日，马里兰大学和美国航天局戈达德太空飞行中心的天体物理学家艾琳·卡拉（Erin Kara）在西雅图举行的第233届美国天文学会会议上介绍了一项新发现。他们利用安装在国际空间站上的中子星内部成分探测器（NICER，Neutron star Interior Composition Explorer）绘制了一个恒星级黑洞周围环境的图像，发现了来自该黑洞冕区的奇特变化。

这个发现源于一次意外。MAXI J1820+070（缩写J1820）位于狮子座，距离我们约10000光年，是一个质量约为太阳10倍的恒星级黑洞。按理说，如此量级的黑洞在那样一个距离上是很难被我们发现的。2018年3月11日，同样安装在国际空间站上日本航天局研发的全天X射线成像仪（MAXI，Monitor of All-sky X-ray Image）发现了宇宙中一次意外的爆发。短短几天里，J1820就从一个原本完全未知的黑洞变成了最亮的X射线源之一。

“雨燕”卫星2018年3月11日拍摄的MAXI J1820+070（来源：NASA/Swift）

天文学家猜测它正在吸积旁边一颗伴星身上的物质。黑洞吸积盘温度可以达到几百万度至几千万度，因此靠近黑洞的吸积盘内侧会发出X射线“光”。如果吸积盘不稳定，大量的物质会涌向黑洞，宛如洪水一般。J1820的爆发可能就源于这种不稳定性。不过是什么原因造成不稳定尚不得而知。与此同时，与太阳类似，在磁场的作用下，黑洞磁极两端（上方和下方）也会形成一个冕区，那是一个温度高达10亿摄氏度的亚原子粒子区域，会在高能X射线波段释放出更强劲的光芒。但是，关于它的产生与演变也是未解之谜。

黑洞J1820的结构示意图（来源：NASA's Goddard Space Flight Center）

天文学家曾在超大质量黑洞身上发现过一个有趣的现象。（超大质量黑洞是几百万至几十亿倍太阳质量的巨型怪物，有着与恒星级黑洞相同的结构，只不过某些效应会显得更为明显。）来自黑洞冕的X射线会通过两种方式来到地球，一部分径直地射向我们，还有一部分以不同的角度先射向吸积盘，然后再以不同的能量和角度射向我们，两者到达地球的时间会有时差，被称为“时延”。这种效应可以帮助我们描绘黑洞的结构，就像我们使用声呐设备对海底进行测绘一样，天文学家把这种方法称为X射线反响映射（X-ray reverberation mapping）。

通过这种方法，我们发现超大质量黑洞吸积盘的内边缘非常接近事件视界。黑洞冕也很紧凑，很靠近黑洞，而不是位于大部分的吸积盘上方。而恒星级黑洞略有不同，吸积盘的内边缘可能远得多，在视界半径的数百倍开外。但是，NICER对J1820的观测表明，它的结构似乎更像是它的远房表亲——超大质量黑洞。

X射线反响映射的原理。由于广义相对论效应，离引力场越近的光线受到影响越明显（图中用颜色变化表示）（来源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

此外，研究人员还发现，从黑洞冕直接发出的X射线与经过吸积盘反射后的X射线“回声”的时延正在减少。有两种可能性，一是X射线在吸积盘反射前所行径的路程变短了；二是吸积盘的内侧边缘正在接近黑洞的事件视界，即爱因斯坦相对论所说的“引力红移”现象。为此，研究人员考察了铁元素的发射线（FeK线），它是由冕中的X射线碰撞吸积盘中的铁原子所发出的。结果发现，FeK线是稳定的，没有发生偏移，这意味着吸积盘没有发生明显变化。那么，造成X射线时延减少的原因只能是——黑洞冕发出的X射线在打到吸积盘前的路程越来越短了。据估算，冕的大小可能已经从100英里缩小到了10英里。

J1820与超大质量黑洞有着相似的性质，也给天文学家一个非常难得的考察机会。要知道，那些超大质量黑洞演化时间往往是以几千万年、上亿年来计的，这对我们人类而言是不可观察的。而像J1820这样的恒星级黑洞质量较小，演化速度快得多，在我们“有生之年”就有可能出现明显的变化，这对我们来说是弥足珍贵的。

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