新研究解釋“看不見的”黑洞:恆星風如何在黑洞周圍形成吸積盤

黑洞存在的第一個證據是在20世紀60年代發現的,當時科學家們從一個叫做天鵝座X-1的系統中檢測到了強烈的X射線。在這個系統中,黑洞被一顆大質量的恆星環繞,吹着極強的風,比太陽風強1000多萬倍。這股風中的部分氣體在引力作用下被吸引到黑洞處,形成一個 “吸積盤”,發出科學家們所觀察到的強烈X射線。這些帶有黑洞和大質量恆星的系統被稱為“高質量X射線雙星”,對於理解黑洞的性質非常有幫助。

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自第一次發現以來,經過近60年的時間,只有少數類似的高質量X射線雙星被發現。特別是考慮到在過去的幾年裡,許多雙體黑洞(高質量X射線雙星的未來狀態)已經被引力波發現,因此預計會有更多這樣的雙星存在。在我們的銀河系中也發現了許多雙星系統,預計最終會成為高質量X射線雙星。但是所有的高質量X射線雙星本身又藏在哪裡?

一種解釋是,即使黑洞被一顆吹着強風的大質量恆星所環繞,它也不一定會發出X射線。為了發射X射線,黑洞需要創造一個吸積盤,氣體在其中旋轉並變得很熱,然後再落入。為了創造一個吸積盤,墜落的氣體需要“角動量”,這樣所有的氣體粒子都能以相同的方向圍繞黑洞旋轉。然而,科學家們發現在高質量的X射線雙星中通常很難有足夠的角動量落到黑洞上。這是因為風通常被認為是對稱的,所以在順時針和逆時針方向都有幾乎相同數量的氣體流過黑洞。因此,氣體可以直接落入黑洞而不產生吸積盤,所以黑洞幾乎是看不見的。

但如果這是真的,為什麼科學家們會看到任何X射線雙星呢?在蒙納士大學研究人員發表的一篇論文中,他們解決了恆星風的運動方程,並發現:當黑洞離恆星足夠近時,風並不是對稱地吹。由於潮汐力的作用,風在吹向和吹離黑洞的方向上速度較慢。由於風的這種對稱性被打破,氣體現在可以有大量的角動量,足以在黑洞周圍形成一個吸積盤,並在X射線中閃閃發光。這種不對稱性的必要條件相當嚴格,所以只有一小部分黑洞+大質量恆星的雙星能被觀測到。

這項研究中的模型解釋了為什麼只有少數被探測到的高質量X射線雙星,但這只是理解不對稱恆星風的第一步。通過進一步研究這個模型,研究人員也許能夠解開高質量X射線雙星的許多其他奧秘。

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