在這幅新發現的名為MAXI J1820+070的黑洞的插圖中，一個黑洞將鄰近恆星的物質拉出並進入一個吸積盤。圓盤上方是亞原子粒子的一個區域，稱為日冕。圖片來源:Aurore Simonnet和NASA戈達德太空飛行中心。
科學家利用美國國家航空航天局(NASA)在國際空間站上搭載的中子星內部成分探測器(better)，繪製出了一個質量相當於太陽10倍的恆星質量黑洞周圍的環境圖。最近發現的黑洞名為MAXI J1820+070(簡稱J1820)，它吸收了來自伴星的物質。x射線波形成了“光回波”，反射了黑洞附近旋轉的氣體，揭示了環境的大小和形狀的變化。
“更好的使我們測量光回聲接近恆星質量的黑洞,“艾琳·卡拉說,馬里蘭大學的天體物理學家,大學公園和美國宇航局戈達德太空飛行中心的綠地,馬里蘭州,第233屆美國天文學會會議上發表了這一研究結果在西雅圖。“以前，這些來自吸積盤內部的光反射只能在超大質量黑洞中看到，這些黑洞的太陽質量在數百萬到數十億倍之間，變化緩慢。像J1820這樣的恆星黑洞質量更低，演化速度更快，所以我們可以看到在人類時間尺度上的變化。
由卡拉領導的一篇描述這一發現的論文發表在1月10日的《自然》雜誌上。
觀察x射線的回波，由美國國家航空航天局的中子星內部成分探測器繪製，揭示了黑洞的日冕的變化。感謝:美國宇航局戈達德太空飛行中心
J1820位於距獅子座約1萬光年的地方。歐洲航天局蓋亞任務在一項調查中確定了該星系的伴星，研究人員據此估算了它的距離。直到2018年3月11日，日本航空航天局(Japan Aerospace Exploration Agency)的全天x射線圖像(All-sky X-ray Image, MAXI)也在空間站上發現了黑洞的爆發，天文學家才意識到它的存在。J1820在幾天內從一個完全未知的黑洞變成了x射線天空中最明亮的光源之一。better迅速採取行動捕捉到這一戲劇性的轉變，並繼續跟隨火山噴發逐漸消退的尾巴。
“better的設計足夠敏感，能夠研究被稱為中子星的微弱、密度高得令人難以置信的物體，”戈達德大學(Goddard)的better科學項目負責人、該論文的合著者扎文阿爾祖馬尼安(Zaven Arzoumanian)說。“我們很高興它在研究這些非常明亮的x射線恆星質量黑洞中也被證明是有用的。”
黑洞可以將附近伴星的氣體虹吸到一個叫做吸積盤的物質環中。引力和磁力將圓盤加熱到數百萬度，使其足夠熱，足以在靠近黑洞的圓盤內部產生x射線。當圓盤上的不穩定導致大量氣體像雪崩一樣向黑洞內移動時，就會爆發。磁盤不穩定的原因還不太清楚。
圓盤上方是日冕，這是一個亞原子粒子組成的區域，溫度約為10億攝氏度(18億華氏度)，在高能x射線中發光。關於日冕的起源和進化還有許多未解之謎。一些理論認為，這種結構可能代表這類系統經常發射的高速粒子噴流的早期形式。
天體物理學家想要更好地理解吸積盤的內邊緣和它上面的日冕是如何隨著黑洞從伴星吸積物質而改變大小和形狀的。如果科學家們能夠理解這些變化是如何以及為什麼會在數週內發生在恆星質量的黑洞中，那麼他們就能夠闡明超大質量黑洞是如何在數百萬年的時間裡演化的，以及它們是如何影響它們所居住的星系的。
繪製這些變化的一種方法叫做x射線混響映射，它使用x射線反射，就像聲納使用聲波繪製海底地形一樣。一些來自日冕的x射線直接射向我們，而另一些則照亮了圓盤，以不同的能量和角度反射回來。
超大質量黑洞的x射線混響映射顯示，吸積盤的內邊緣非常接近視界，也就是不返回的點。日冕也是緻密的，它位於黑洞附近，而不是吸積盤的大部分。然而，先前對恆星黑洞x射線回波的觀測表明，吸積盤的內邊緣可能相當遙遠，其大小可達視界的數百倍。然而，恆星質量的J1820表現得更像它的超大質量表親。
當他們檢查了nice對J1820年的觀測結果後，Kara的團隊發現，從最初直接從日冕發出的x射線耀斑到從日冕發出的x射線回波之間的延遲，或者說延遲時間有所縮短，這表明x射線在被反射之前的傳播距離越來越短。據他們估計，在1萬光年之外，日冕垂直收縮的距離約為100到10英里——這就像在冥王星的距離上，看到藍莓大小的物體縮小到罌粟籽大小。
2018年10月22日，安裝在國際空間站上的更好的儀器被高清外接攝像頭拍攝下來。
“這是我們第一次看到這樣的證據，證明日冕在爆發演化的特定階段收縮，”合著者傑克·斯坦納(Jack Steiner)說。他是位於劍橋的麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)卡夫裡天體物理與空間研究所(Kavli Institute for Astrophysics and Space Research)的天體物理學家。“日冕仍然非常神秘，我們仍然對它有一個鬆散的理解。但我們現在有證據表明，系統中正在進化的東西是日冕本身的結構。
為了證實延遲時間的減少是由於日冕的變化而不是圓盤的變化，研究人員使用了一種被稱為鐵K線的信號，這種信號是日冕中的x射線與圓盤中的鐵原子碰撞產生熒光時產生的。正如愛因斯坦的相對論所述，時間在更強的重力場中以更快的速度運行。當離黑洞最近的鐵原子受到日冕核心發出的光的轟擊時，它們發出的x射線波長就會被拉長，因為它們的時間比觀察者的時間移動得慢(在這種情況下，是比較好的)。
卡拉的研究小組發現J1820年拉伸的鐵K線保持不變，這意味著圓盤的內邊緣仍然靠近黑洞——類似於超大質量黑洞。如果延遲時間的減少是由於磁盤的內邊緣進一步向內移動造成的，那麼鐵K線就會拉伸得更大。
這些觀測讓科學家們對物質如何進入黑洞以及能量如何在這個過程中釋放有了新的見解。
“better對J1820年的觀測讓我們對恆星質量黑洞有了新的認識，也讓我們知道了如何將它們作為研究超大質量黑洞及其對星系形成的影響的類比，”合著者、阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)天體物理學家菲利普·烏特利(Philip Uttley)說。“在better的第一年，我們已經看到了四次類似的活動，這很了不起。”這感覺就像我們在x射線天文學的一個巨大突破的邊緣。
better是美國宇航局“探索者”計劃中的“機遇號”天體物理學任務，該計劃利用太陽物理學和天體物理學科學領域創新、精簡和高效的管理方法，為來自太空的世界級科學研究提供頻繁的飛行機會。NASA的空間技術任務理事會支持任務的六分儀組件，演示基於脈衝星的航天器導航。
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