一组科学家周四宣布,银河系中最大,最著名的黑洞之一比天文学家想象的还要大。这一发现为长期恒星在最终灭亡的过程中如何演化提供了模型。
天鹅座X-1(看不见的X射线发射物体)和一颗名为HDE 226868的胖蓝色恒星每5.6天彼此环绕。天鹅座X-1是1964年发现的最早的X射线天文学源之一,当时天文学家开始将盖革(Geiger)宇宙计数器放到太空中,也是最早被认为是可能出现的黑洞之一。 X射线是由气体产生的,气体绕着宇宙引流旋转时被加热到数百万度。
天鹅座X-1的质量最初估计是太阳的15倍,是银河系中已知的质量最大,发光度最高的X射线双星系统之一。
现在新的测量将该数字增加到21个太阳质量。改头换面不会改变人们对宇宙的总体看法;天鹅座X-1仍然是一个黑洞,几乎是科幻小说中爱因斯坦在天体现实中的怪异现象。但是现在关于天鹅座X-1怎样成为黑洞的细节尚存疑问。
芝加哥大学理论天体物理学家丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)在一封电子邮件中写道:“这样一个经典的历史天文学资料的质量发生重大变化(至少对天文学家而言是个大问题)。” 。
澳大利亚科廷大学国际射电天文学研究中心的詹姆斯·米勒·琼斯也通过电子邮件写道:“我们意识到,以现有的最佳估计,在银河系中形成的21太阳质量的黑洞实在太大,无法形成。恒星风中大质量恒星损失的质量。”
Miller-Jones博士及其国际同事在《科学》杂志和《天体物理学杂志》上的两篇配套论文中报告了这一结果。
正如其中一篇论文所述,天鹅座X-1的故事始于昏暗的过去,一对巨大的蓝色恒星相互环绕运行。两颗恒星中较大的一颗演化得更快,膨胀并开始向其伴星上溢出氢气。主恒星的剩余部分开始于其初盛时,其质量是太阳的55或75倍,但由于恒星核心不断燃烧,它在剧烈的恒星风中会流失更多的质量。最终,用尽的恒星用尽了所有的热核燃料,坍塌成了一个黑洞。
有时,视情况而定,这种残局崩溃以惊人的超新星爆炸为标志。然而,在这种情况下,米勒·琼斯博士在一封电子邮件中写道:“我们认为黑洞是通过几乎直接坍缩成黑洞而不是II型超新星爆炸而形成的。”他说,这样的爆炸将把这对双星从具有类似质量的恒星聚集中踢出,并在其中形成并显然仍然存在。
从那以后,黑洞一直在供气,从其膨胀的邻居中吸取天然气,据米勒-琼斯博士说,该天然气约有40个太阳质量。
Cygnus X-1质量的新测量是偶然的。 Miller-Jones博士说:“我们尚未着手重新测量距离和黑洞质量。” “但是当我们分析数据后,我们就意识到了其全部潜力。”
2016年春天,米勒·琼斯博士和他的小组在国家射电天文台的甚长基线阵列上观测了天鹅座X-1,该阵列是在新墨西哥州Socorro以外运行的全国性天线网络。流入黑洞的发射X射线的气体与射出黑洞的高速无线电射流之间的连接。
但是,该过程的一部分使他们能够对距天鹅座X-1的距离进行三角测量,将距离从大约6,000光年增加到7,000多光年。有趣的是,米勒-琼斯博士指出,这也使距离与欧洲航天局盖亚太空望远镜的早期结果更好地吻合,该望远镜的测量在先前接受的距离下处于轻微的张力下。
将距离的变化计入光度和质量的计算中,黑洞的估计质量增加了约40%,达到21个太阳质量。
Miller-Jones博士说,这令人兴奋,但是直到他与莫纳什大学的理论同事Ilya Mandel交谈后,他才意识到他们所做的一切的全部含义。
对质量的新估计使天鹅座X-1处于一种神奇的阈值之上。天文学家知道银河系及其附近有数十个黑洞X射线双星系统,它们的推算质量都不到太阳的20倍。这个明显的极限表明,至少从恒星的坍塌开始,黑洞很难变得更大。
但是自2016年以来,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和处女座天线一直在记录太空中黑洞的碰撞,其中许多黑洞的质量远远超过20个太阳质量。
霍尔茨博士写道:“当最初的GW探测结果是由两个黑洞组成的双星时,每个黑洞约有30个太阳质量,这给整个社区中的许多人带来了深远的震惊。”团队研究这些结果。
矛盾是显而易见的。 LIGO结果表明,总的来说,黑洞比X射线结果表明的要大。关于恒星演化的大部分假设来自想象宇宙风的细节,当这些恒星喷出并变成黑洞时,它们会将质量从垂死的恒星上剥离掉。新的结果表明,天文学家需要减少对恒星如何失去质量的计算。
Miller-Jones博士说:“已经向上修正了天鹅座X-1中黑洞的质量,我们意识到,为了解释我们的测量结果,我们需要向下修正大质量恒星的质量损失率。这是促使我们撰写本文的关键见解,展示了科学合作的力量,将各种技能结合在一起以解决一个有趣的问题。”
霍尔茨博士说,他并不担心代表天文学家。他指出,恒星演化的天体物理学非常复杂,提供了许多旋钮来进行计算,以使结果有意义。他说:“关于制造如此大的黑洞,我的猜测是恒星建模者将能够轻松容纳它。” “他们是一群很有创造力的人!”