麻省理工学院的天文学家已经成功地绘制了Hercules X-1系统中盘状风的垂直形状和结构图，标志着首次以二维方式观察到这种风。研究小组利用了这颗中子星摇晃的吸积盘，这使得他们能够从不同的角度观察这种风。
这项新的绘图技术可以通过研究一系列天体中的风的特性，帮助确定盘状风如何影响恒星系统和星系的形成和演变。这一发现揭示了黑洞和中子星是如何影响宇宙的。
吸积盘是一个巨大的气体和尘埃漩涡，它像棉花糖一样聚集在黑洞或中子星周围，它从附近的恒星吸入物质。随着圆盘的旋转，它刮起了强大的风，推拉着不断旋转的等离子体。这些巨大的外流可以通过加热和吹走黑洞周围的气体和尘埃来影响黑洞的环境。
在巨大的尺度上，"盘风"可以为超大质量黑洞如何塑造整个星系提供线索。天文学家已经在许多系统中观察到盘风的迹象，包括吸积黑洞和中子星。但是到目前为止，他们只瞥见过这种现象的一个非常狭窄的视角。
现在，麻省理工学院的天文学家们在Hercules X-1中观察到了更广泛的风的范围，在这个系统中，一颗中子星正在从一颗类似太阳的恒星中吸取物质。这颗中子星的吸积盘是独特的，因为它在旋转的时候会摆动，或者说"前倾"。通过利用这种摆动，天文学家们捕捉到了旋转盘的不同视角，并首次创建了其风的二维地图。
新地图揭示了风的垂直形状和结构，以及它的速度--大约每秒数百公里，或每小时约一百万英里，这是在吸积盘能够旋转起来的较温和的一端。
如果天文学家能够在未来发现更多的摇摆系统，该团队的绘图技术可以帮助确定盘风如何影响恒星系统的形成和演变，甚至是整个星系。
麻省理工学院Kavli天体物理学和空间研究所的博士后Peter Kosec说："在未来，我们可以绘制一系列天体的盘风，并确定风的属性如何变化，例如，随着黑洞的质量，或随着它吸积的物质的多少。这将有助于确定黑洞和中子星如何影响我们的宇宙。"
Kosec是2023年4月10日发表在《自然-天文学》杂志上的一项研究的主要作者，他在麻省理工学院的合作者包括艾琳-卡拉、丹尼尔-罗甘蒂尼和克劳德-卡尼萨雷斯，以及来自多个机构的合作者，包括英国剑桥的天文学研究所。
固定视线
盘状风最常在X射线双星中被观察到--在这些系统中，一个黑洞或中子星从一个密度较低的天体中拉出物质，并产生一个白热的吸气物质盘，同时还有流出的风。确切地说，风是如何从这些系统中发射出来的还不清楚。一些理论认为，磁场可以撕碎圆盘，并将一些物质作为风向外排出。其他人则认为，中子星的辐射可以加热和蒸发盘的表面，形成白热化的阵风。
关于风的起源的线索可以从它的结构中推断出来，但是盘状风的形状和范围一直很难解决。大多数双星产生的吸积盘在形状上是相对均匀的，就像在一个平面上旋转的薄薄的气体甜甜圈。从远处的卫星或望远镜研究这些盘的天文学家只能在一个固定的、狭窄的范围内，相对于其旋转的盘，观察到盘风的影响。因此，天文学家设法探测到的任何风都是其较大结构的一小部分。
"我们只能在一个点上探测风的特性，而对这个点周围的一切完全视而不见，"Kosec指出。
2020年，他和他的同事们意识到，一个双星系统可以为盘状风提供一个更广泛的视角。Hercules X-1因其扭曲的吸积盘而从大多数已知的X射线双星中脱颖而出，该吸积盘在围绕该系统的中央中子星旋转时摇摆不定。
吸积盘每35天摆动一次，风从吸积盘的某个地方发出，随着时间的推移在吸积盘上方的不同高度穿过我们的视线。这是这个系统的一个非常独特的属性，它使天文学家们能够更好地了解它的垂直风特性。
扭曲的摇摆
在新的研究中，研究人员使用两台X射线望远镜--欧洲航天局的XMM牛顿和美国宇航局的钱德拉天文台--来观察Hercules X-1。
"我们测量的是X射线光谱，这意味着到达我们探测器的X射线光子的数量，与它们的能量。我们测量吸收线，或在非常具体的能量下缺乏X射线光，"Kosec说。"从不同线条的强弱比例来看，我们可以确定温度、速度和盘风中的等离子体数量。"
通过Hercules X-1的翘曲圆盘，天文学家能够看到圆盘的线条随着它的摆动和旋转而上下移动，类似于从边上看时翘曲的唱片出现摆动的方式。这种效果是这样的，研究人员可以在相对于圆盘的变化高度观察到圆盘风的迹象，而不是在均匀旋转的圆盘上方的单一固定高度。
通过测量X射线发射和盘面随时间摆动和旋转时的吸收线，研究人员可以扫描诸如相对于盘面的不同高度的风的温度和密度等属性，并构建一个风的垂直结构的二维地图。
"我们看到的是，风从圆盘上升起，与圆盘成大约12度的角度，因为它在空间中膨胀，"Kosec说。"它也变得更冷，更结实，在盘子上方的更高处更弱。"
该小组计划将他们的观察结果与各种风的发射机制的理论模拟进行比较，以观察哪种机制能够最好地解释风的起源。在更远的地方，他们希望发现更多扭曲和摇摆的系统，并绘制它们的盘风结构。然后，科学家们可以对盘风有一个更广泛的看法，以及这种外流如何影响其周围环境--特别是在更大的尺度上。
"超大质量黑洞如何影响星系的形状和结构？"麻省理工学院1958级物理学职业发展助理教授艾琳-卡拉提出这个问题。"其中一个主要的假设是，从黑洞发射的盘状风会影响星系的外观。现在我们可以更详细地了解这些风是如何被发射的，以及它们看起来是什么样子。"