天文学家发现黑洞周围不寻常的巨大光环

这张图片展示了一组围绕着黑洞的壮观的光环，是利用美国宇航局的钱德拉X射线天文台和尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台拍摄的。巨环的X射线图像揭示了位于我们星系中的尘埃的信息。

这个黑洞是一个名为V404 Cygni的双星系统的一部分，位于离地球约7800光年的地方。这个黑洞正在积极地将物质从一颗质量约为太阳一半的伴星上“拉走”，拉到这个看不见的物体周围的一个圆盘中。这种物质在X射线下发光，因此天文学家将这些系统称为"X射线双星"。

2015年6月5日，天文学家借助尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台发现了来自V404 Cygni的X射线爆发。这个爆发产生的高能环来自于一种被称为“光回波”的现象。与声波在峡谷壁上反弹不同，V404 Cygni周围的“光回波”是由来自黑洞系统的X射线爆发在V404 Cygni和地球之间的尘埃云上反弹产生的。

在这张合成图像中，来自钱德拉的X射线（浅蓝色）与来自夏威夷Pan-STARRS望远镜的光学数据相结合，显示了视野中的星星。该图像包含八个独立的同心环。每个环都是由2015年观察到的V404 Cygni耀斑的X射线产生的，这些射线在不同的尘埃云中反射。(一个艺术家的插图解释了钱德拉和尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台看到的环是如何产生的。为了简化图形，图中只显示了四个环而不是八个环）。)

由麦迪逊威斯康星大学的Sebastian Heinz领导的研究小组分析了2015年6月30日至8月25日期间对该系统进行的50次斯威夫特观测，以及2015年7月11日和25日的钱德拉观测。这是一个如此明亮的事件，钱德拉的操作者特意将V404 Cygni放在探测器之间，以便另一个明亮的爆发不会损坏仪器。

这些星环不仅告诉天文学家关于黑洞的行为，也告诉他们关于V404 Cygni和地球之间的景观。例如，X射线中环的直径揭示了光弹射到中间的尘埃云的距离。如果云层离地球更近，环就会显得更大，反之亦然。由于X射线爆发只持续了相对较短的时间，所以光的回波显示为窄环，而不是宽环或光环。

研究人员还利用这些环来探测尘埃云本身的特性。他们将X射线光谱–即X射线在一定波长范围内的亮度–与具有不同成分的尘埃的计算机模型进行了比较。不同成分的尘埃将导致不同数量的低能量X射线被吸收，从而无法被钱德拉探测到。这提供了关于其结构和组成的信息。

研究小组确定，这些尘埃云最有可能包含石墨和硅酸盐颗粒的混合物。此外，通过用钱德拉分析内环，他们发现尘埃云的密度在各个方向上并不均匀。以前的研究假设它们不是这样的。

一篇描述V404 Cygni结果的论文发表在2016年7月1日的《天体物理学杂志》上（预印本）。这项研究的作者是Sebastian Heinz、Lia Corrales（密歇根大学）；Randall Smith（哈佛-史密森天体物理学中心）；Niel Brandt（宾夕法尼亚州立大学）；Peter Jonker（荷兰空间研究所）；Richard Plotkin（内华达大学雷诺分校）；和Joey Neilson（维拉诺瓦大学）。

这一结果与X射线双星Circinus X-1的类似发现有关，该双星包含一颗中子星而不是黑洞，发表在2015年6月20日的《天体物理学杂志》上的一篇论文中。从一个巨大的X射线光回波看圆规X-1的运动学距离"（预印本）。这项研究也是由Sebastian Heinz领导的。

每年都有多篇论文发表，报告对2015年引起这些环的V404 Cygni爆发的研究。之前的爆发是在1938年、1956年和1989年记录的，所以天文学家可能还有很多年时间继续分析2015年的爆发。