新研究解释“看不见的”黑洞:恒星风如何在黑洞周围形成吸积盘

2021年12月14日 08:51 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

黑洞存在的第一个证据是在20世纪60年代发现的,当时科学家们从一个叫做天鹅座X-1的系统中检测到了强烈的X射线。在这个系统中,黑洞被一颗大质量的恒星环绕,吹着极强的风,比太阳风强1000多万倍。这股风中的部分气体在引力作用下被吸引到黑洞处,形成一个 “吸积盘”,发出科学家们所观察到的强烈X射线。这些带有黑洞和大质量恒星的系统被称为“高质量X射线双星”,对于理解黑洞的性质非常有帮助。

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自第一次发现以来,经过近60年的时间,只有少数类似的高质量X射线双星被发现。特别是考虑到在过去的几年里,许多双体黑洞(高质量X射线双星的未来状态)已经被引力波发现,因此预计会有更多这样的双星存在。在我们的银河系中也发现了许多双星系统,预计最终会成为高质量X射线双星。但是所有的高质量X射线双星本身又藏在哪里?

一种解释是,即使黑洞被一颗吹着强风的大质量恒星所环绕,它也不一定会发出X射线。为了发射X射线,黑洞需要创造一个吸积盘,气体在其中旋转并变得很热,然后再落入。为了创造一个吸积盘,坠落的气体需要“角动量”,这样所有的气体粒子都能以相同的方向围绕黑洞旋转。然而,科学家们发现在高质量的X射线双星中通常很难有足够的角动量落到黑洞上。这是因为风通常被认为是对称的,所以在顺时针和逆时针方向都有几乎相同数量的气体流过黑洞。因此,气体可以直接落入黑洞而不产生吸积盘,所以黑洞几乎是看不见的。

但如果这是真的,为什么科学家们会看到任何X射线双星呢?在蒙纳士大学研究人员发表的一篇论文中,他们解决了恒星风的运动方程,并发现:当黑洞离恒星足够近时,风并不是对称地吹。由于潮汐力的作用,风在吹向和吹离黑洞的方向上速度较慢。由于风的这种对称性被打破,气体现在可以有大量的角动量,足以在黑洞周围形成一个吸积盘,并在X射线中闪闪发光。这种不对称性的必要条件相当严格,所以只有一小部分黑洞+大质量恒星的双星能被观测到。

这项研究中的模型解释了为什么只有少数被探测到的高质量X射线双星,但这只是理解不对称恒星风的第一步。通过进一步研究这个模型,研究人员也许能够解开高质量X射线双星的许多其他奥秘。

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