天文學家從一個恆星級黑洞那兒看到了黑洞冕區域的X射線反光，發現冕區正在大幅減小……這可是難得一見的現象。它好像還一不小心向我們透露了黑洞演化的奧祕。

黑洞MAXI J1820+070藝術畫（來源：Aurore Simonnet/NASA’s Goddard Space Flight Center）

近日，馬裏蘭大學和美國航天局戈達德太空飛行中心的天體物理學家艾琳·卡拉（Erin Kara）在西雅圖舉行的第233屆美國天文學會會議上介紹了一項新發現。他們利用安裝在國際空間站上的中子星內部成分探測器（NICER，Neutron star Interior Composition Explorer）繪製了一個恆星級黑洞周圍環境的圖像，發現了來自該黑洞冕區的奇特變化。

這個發現源於一次意外。MAXI J1820+070（縮寫J1820）位於獅子座，距離我們約10000光年，是一個質量約爲太陽10倍的恆星級黑洞。按理說，如此量級的黑洞在那樣一個距離上是很難被我們發現的。2018年3月11日，同樣安裝在國際空間站上日本航天局研發的全天X射線成像儀（MAXI，Monitor of All-sky X-ray Image）發現了宇宙中一次意外的爆發。短短几天裏，J1820就從一個原本完全未知的黑洞變成了最亮的X射線源之一。

“雨燕”衛星2018年3月11日拍攝的MAXI J1820+070（來源：NASA/Swift）

天文學家猜測它正在吸積旁邊一顆伴星身上的物質。黑洞吸積盤溫度可以達到幾百萬度至幾千萬度，因此靠近黑洞的吸積盤內側會發出X射線“光”。如果吸積盤不穩定，大量的物質會湧向黑洞，宛如洪水一般。J1820的爆發可能就源於這種不穩定性。不過是什麼原因造成不穩定尚不得而知。與此同時，與太陽類似，在磁場的作用下，黑洞磁極兩端（上方和下方）也會形成一個冕區，那是一個溫度高達10億攝氏度的亞原子粒子區域，會在高能X射線波段釋放出更強勁的光芒。但是，關於它的產生與演變也是未解之謎。

黑洞J1820的結構示意圖（來源：NASA's Goddard Space Flight Center）

天文學家曾在超大質量黑洞身上發現過一個有趣的現象。（超大質量黑洞是幾百萬至幾十億倍太陽質量的巨型怪物，有着與恆星級黑洞相同的結構，只不過某些效應會顯得更爲明顯。）來自黑洞冕的X射線會通過兩種方式來到地球，一部分徑直地射向我們，還有一部分以不同的角度先射向吸積盤，然後再以不同的能量和角度射向我們，兩者到達地球的時間會有時差，被稱爲“時延”。這種效應可以幫助我們描繪黑洞的結構，就像我們使用聲吶設備對海底進行測繪一樣，天文學家把這種方法稱爲X射線反響映射（X-ray reverberation mapping）。

通過這種方法，我們發現超大質量黑洞吸積盤的內邊緣非常接近事件視界。黑洞冕也很緊湊，很靠近黑洞，而不是位於大部分的吸積盤上方。而恆星級黑洞略有不同，吸積盤的內邊緣可能遠得多，在視界半徑的數百倍開外。但是，NICER對J1820的觀測表明，它的結構似乎更像是它的遠房表親——超大質量黑洞。

X射線反響映射的原理。由於廣義相對論效應，離引力場越近的光線受到影響越明顯（圖中用顏色變化表示）（來源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

此外，研究人員還發現，從黑洞冕直接發出的X射線與經過吸積盤反射後的X射線“回聲”的時延正在減少。有兩種可能性，一是X射線在吸積盤反射前所行徑的路程變短了；二是吸積盤的內側邊緣正在接近黑洞的事件視界，即愛因斯坦相對論所說的“引力紅移”現象。爲此，研究人員考察了鐵元素的發射線（FeK線），它是由冕中的X射線碰撞吸積盤中的鐵原子所發出的。結果發現，FeK線是穩定的，沒有發生偏移，這意味着吸積盤沒有發生明顯變化。那麼，造成X射線時延減少的原因只能是——黑洞冕發出的X射線在打到吸積盤前的路程越來越短了。據估算，冕的大小可能已經從100英里縮小到了10英里。

J1820與超大質量黑洞有着相似的性質，也給天文學家一個非常難得的考察機會。要知道，那些超大質量黑洞演化時間往往是以幾千萬年、上億年來計的，這對我們人類而言是不可觀察的。而像J1820這樣的恆星級黑洞質量較小，演化速度快得多，在我們“有生之年”就有可能出現明顯的變化，這對我們來說是彌足珍貴的。

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