3月11日，国际空间站上的一种仪器探测到巨大的X射线爆炸，其爆炸速度是距离地球近10,000光年的蟹状星云的六倍。科学家们确定源头是一个在爆发中被捕获的黑洞 - 一个极端的阶段，当黑洞吞噬来自附近恒星的大量气体和尘埃时，黑洞可以发出灿烂的X射线能量。

现在麻省理工学院和其他地方的天文学家已经在这次X射线爆发中发现了“回声”，他们认为这可能是爆发期间黑洞如何演变的线索。在今天发表在“自然”杂志上的一项研究中，研究小组报告证据表明，当黑洞消耗大量的恒星材料时，它的电晕 - 围绕黑洞的高能电子的光环 - 从最初开始显着缩小。仅仅一个多月，大约100公里(大约马萨诸塞州的宽度)仅仅10公里。

这一发现是第一个证据表明电晕随着黑洞的进入或聚集而缩小。结果还表明，在爆发的最极端阶段，正是电晕推动了黑洞的演变。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的研究科学家杰克施泰纳说：“这是我们第一次看到这种证据表明它在爆发演变的特定阶段正在逐渐缩小。”“日冕仍然很神秘，我们仍然对它的含义有一个松散的认识。但我们现在有证据表明系统中正在发展的东西是日冕本身的结构。”

施泰纳的麻省理工学院合着者包括罗纳德雷米拉德和第一作者艾琳卡拉。

X射线回声

3月11日检测到的黑洞被命名为MAXI J1820 + 070，用于检测它的仪器。全天空X射线图像监视器(MAXI)任务是安装在国际空间站(ISS)的日本实验模块中的一组X射线探测器，它监视整个天空的X射线爆发和耀斑。

在仪器拿起黑洞爆发后不久，施泰纳和他的同事们开始用美国国家航空航天局的中子星内部构成资源管理器或国际空间站上的另一台仪器NICER来观察这一事件，该仪器部分由麻省理工学院设计，用于测量黑洞的数量和时间。传入的X射线光子。

“这个蓬勃发展的黑洞出现在现场，它几乎完全没有遮挡，因此我们对正在发生的事情有一个非常原始的看法，”施泰纳说。

当黑洞从附近的恒星中吸走大量物质时，就会发生典型的爆发。这种材料积聚在黑洞周围，形成一个旋转的漩涡，称为吸积盘，可以跨越数百万英里。磁盘中靠近黑洞中心的材料旋转得更快，产生摩擦，加热磁盘。

“中心的气体温度达数百万度，”施泰纳说。“当你加热一些热的东西时，它会像X射线一样闪耀。这个圆盘可能会发生雪崩并将其气体倒入中央黑洞，大约每秒珠穆朗玛峰的气体价值。这就是爆发时的情况，通常持续一年左右。“

科学家此前曾观察到，吸积盘发出的X射线光子可以击穿黑洞日冕中的高能电子。施泰纳说，这些光子中的一些可能会“散射到无限远”，而其他光子会作为更高能量的X射线散射到吸积盘上。

通过使用NICER，该团队能够在整个黑洞的爆发中收集极其精确的X射线光子能量和时间测量值。至关重要的是，它们在低能光子(可能最初由吸积盘发射的光子)和高能光子(可能与电晕的电子相互作用的X射线)之间拾取“回声”或滞后。在一个月的时间里，研究人员观察到这些滞后的长度显着减少，表明日冕与吸积盘之间的距离也在缩小。但它是转移的磁盘还是电晕?

为了回答这个问题，研究人员测量了一个天文学家称之为“铁线”的标志 - 这是铁质原子在吸积盘中发出的特征，只有当它们被激活时，例如通过关闭X射线光子。电晕的电子。因此，铁可以测量吸积盘的内边界。

当研究人员在整个爆发期间测量铁线时，他们发现没有可测量的变化，这表明磁盘本身没有变形，而是保持相对稳定。连同X射线滞后减少的证据，他们得出的结论是，由于黑洞的爆发，它必须是正在变化的电晕和萎缩。

“我们看到日冕开始于内部吸积盘内100公里的膨胀，然后在大约一个月内缩小到10公里左右，”施泰纳说。“这是第一个明确的电晕收缩情况，而磁盘稳定。”

“NICER让我们能够测量比以往更接近恒星质量黑洞的光回波，”卡拉补充道。“以前这些内部吸积盘上的光线回声只出现在超大质量黑洞中，这些黑洞是数百万到数十亿的太阳质量，并且经过数百万年的演变。像J1820这样的恒星黑洞的质量要低得多，演化速度要快得多，所以我们可以看到变化在人类时间尺度上发挥作用。“

虽然尚不清楚究竟是什么原因导致日冕收缩，但施泰纳推测高能电子云正受到吸积盘下降的气体雪崩所产生的巨大压力的挤压。

这些发现为黑洞爆发的一个重要阶段提供了新的见解，称为从硬态到软态的过渡。科学家们已经知道，在爆发的早期某个时刻，黑洞从由电晕能量占主导地位的“硬”阶段转变为“软”阶段，这一阶段更多地受到吸积盘排放的影响。

“这种转变标志着黑洞吸积模式的根本变化，”施泰纳说。“但我们并不确切知道究竟发生了什么。黑洞是如何从电晕控制过渡到磁盘的?磁盘是否移入并接管，或者电晕是否以某种方式变化并消散?这是几十年来人们一直试图解开的事情现在，这是关于这个过渡阶段发生的事情的最终工作，而且正在发生变化的是日冕。“

这项研究部分由NASA通过NICER任务和天体物理学探索者计划提供支持。