XRISM的X射线洞察力揭示了黑洞和超新星的隐藏结构

这是艺术家绘制的 NGC 4151 星系中央活动区（活动星系核，AGN）的图像，其中包含一个超大质量黑洞。 中间的蓝色区域描绘的是最靠近黑洞的吸积盘，它正在喷出物质。 再往外则是被天文学家称为"宽线区"的动荡区域，再往外则是甜甜圈状的环形区域。 资料来源：日本宇宙航空研究开发机构

天体现象和 XRISM 的首次发现

巨大的黑洞和大质量恒星爆炸后的残骸有什么共同之处？ 它们都是一种引人注目的天体现象，在这种现象中，极热的气体会产生高能量的 X 射线光，而 X 射线成像和能谱分析任务（XRISM）可以看到这些光。

XRISM 是由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA ）领导、欧洲航天局（European Space Agency ESA ）参与的一项任务、 显示了其独特的能力，可以揭示称为等离子体的炙热气体的速度和温度，以及黑洞和爆炸恒星周围物质的三维结构。

"这些新的观测结果为了解黑洞如何通过捕获周围物质而成长提供了重要信息，并为了解大质量恒星的生与死提供了新的视角。 "欧空局XRISM项目科学家Matteo Guainazzi说："它们展示了这项任务在探索高能宇宙方面的卓越能力。"

超新星残余物 N132D 的启示

在一次"第一束光"观测中，XRISM聚焦于N132D，它是一颗超新星残余物，位于距地球约16万光年的大麦哲伦云中。 这个由高温气体组成的星际"气泡"是大约 3000 年前一颗超大质量恒星爆炸时排出的。

XRISM利用其"决心"（Resolve）仪器详细揭示了N132D周围的结构。 科学家们发现，N132D的残余物形状像一个甜甜圈，这与之前假设的简单球形外壳不同。 利用多普勒效应，他们测量了残余物中的热等离子体向我们移动或远离我们的速度（速度），并确定它正在以每秒约 1200 公里的明显速度膨胀。

他们还发现，残余物中含有温度高达 100 亿开尔文的铁。 这些铁原子是在超新星爆炸时通过向内扩散的剧烈冲击波而被加热的，这种现象是理论所预测的，但以前从未观测到过。

像N132D这样的超新星残余物为了解恒星如何演化以及对我们的生命至关重要的（重）元素（如铁）如何在星际空间生成和扩散提供了重要线索。 然而，以前的 X 射线观测站总是难以揭示等离子体的速度和温度是如何分布的。

这张图片显示的是日本宇宙航空研究开发机构的 XRIMS X 射线望远镜对超新星残余物 N132D 的观测。 这颗超新星是大约3000年前在大麦哲伦云发生的一次恒星爆炸的结果，距离地球16万光年。

在图像的顶部，超新星残余物以X射线的形式显示出来。 黄色圆圈描述的是XRISM仪器"决心"测量到极热铁（100亿开尔文度）的区域。 粉红色线条显示的是残余物的边缘，在这里爆炸波与星际介质相互作用，热气体（等离子体）温度较低（约 1000 万开尔文度）。

光谱显示了 N132D 中存在的多种化学元素。 XRISM 可以通过测量不同原子所特有的 X 射线光子能量来识别每种元素。 图中 x 轴上的标签"keV"指的是千电子伏特，这是一种能量单位。 XRISM 的"能量分辨率"，即分辨不同波长 X 射线光的能力，具有开创性意义。 XRISM 的分辨率是其前身的 30 倍，其先进的光谱能力使科学家能够以前所未有的精度测量热等离子体的运动和温度。

揭开超大质量黑洞的秘密

XRISM还为我们揭示了围绕超大质量黑洞的神秘结构。 XRISM 的观测聚焦于距离我们 6200 万光年的螺旋星系 NGC 4151，以前所未有的视角观察了非常靠近该星系中心黑洞的物质，该黑洞的质量是太阳的 3000 万倍。

XRISM捕捉到了围绕黑洞并最终落入黑洞的物质的分布情况，半径从0.001光年到0.1光年不等，也就是从与太阳和天王星的距离相当到100倍的距离。

日本宇宙航空研究开发机构的XRISM X射线望远镜捕捉到了落入NGC 4151星系超大质量黑洞的物质在0.001到0.1光年的大半径范围内的分布情况。 通过从铁原子的X射线特征中确定其速度，科学家们绘制出了围绕中央"怪物"的一系列结构：最靠近黑洞的圆盘（蓝色），气体以光速的百分之几的速度运动；其次是过渡区域，气体以数千公里/秒的速度运动，天文学家称之为"宽线区域（BLR）"（橙色）；最后是甜甜圈状的环形区域（红色）。 资料来源：日本宇宙航空研究开发机构

通过确定铁原子的 X 射线运动特征，科学家们绘制出了围绕巨型黑洞的一系列结构：从"喂养"黑洞的圆盘一直到甜甜圈状的环。

这些发现为了解黑洞是如何吞噬周围物质而成长的提供了重要线索。

虽然无线电和红外观测已经揭示了其他星系的黑洞周围存在一个甜甜圈状的环形结构，但XRISM的光谱技术是第一个，也是目前唯一一个追踪中心"怪物"附近气体是如何形成和移动的方法。

展望未来： 未来的观测和发现

在过去的几个月里，XRISM 科学团队通过对 60 个关键目标的观测，在建立仪器性能和完善数据分析方法方面做出了不懈的努力。 与此同时，还从世界各地科学家提交的 300 多份建议中选出了 104 组新的观测项目。

XRISM 将在明年根据成功的建议进行观测；由于其在轨道上的出色表现，甚至超过了最初的预期，这有望带来更多激动人心的发现。

XRISM 将以前所未有的集光能力和能量分辨率（分辨不同能量的 X 射线的能力）组合来研究宇宙的 X 射线光。 这项任务将为星系团的动态、宇宙的化学构成以及围绕吸积超大质量黑洞（活动星系核或 AGN）的物质流等许多课题提供一幅图景。 资料来源：欧空局

关于 XRISM

X 射线成像和光谱任务（XRISM）于 2023 年 9 月 7 日发射。 该任务由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和美国国家航空航天局（NASA）合作完成，欧空局也积极参与其中。 作为提供硬件和科学建议的回报，欧空局分配给 XRISM 8%的可用观测时间。

利用XRISM进行的观测将补充欧空局XMM-牛顿X射线望远镜的观测，并将为欧空局未来的大型飞行任务新雅典娜的观测计划奠定良好的基础。 后者的设计目的是大大超过现有分光和巡天 X 射线观测台的科学性能。

XRISM 协作小组的这些成果已被接受，将在《Astronomical Society of Japan》和《The Astrophysical Journal》上发表。

编译自/ScitechDaily