Созвездие лебедь черная дыра

Лебедь Х-1 (сокращенно Лебедь Х-1 ) представляет собой галактический рентгеновский источник в созвездии Лебедя и были первыми из таких источников широко принят , чтобы быть черной дырой . Он был обнаружен в 1964 году во время полета ракеты и является одним из самых сильных источников рентгеновского излучения видимых с Земли, производя пик рентгеновской плотность потока из 2,3 × 10 −23 Вт · м −2 Гц −1 ( 2,3 × 10 3 Янского ). Он остается одним из наиболее изученных астрономических объектов в своем классе. Компактный объект, по оценкам, имеет массу примерно в 21,2 раза больше массы Солнца, и было показано, что он слишком мал, чтобы быть любым известным типом нормальной звезды или другого вероятного объекта, кроме черной дыры. Если да, то радиус его горизонта событий имеет 300 км «как верхняя граница линейного размера области источника» случайных рентгеновских всплесков продолжительностью всего около 1 мс.

Лебедь X-1 принадлежит к массивной рентгеновской двойной системе, расположенной на расстоянии около 6070 световых лет от Солнца , в которую входит голубая сверхгигантская переменная звезда, обозначенная HDE 226868, вращающаяся вокруг которой находится на расстоянии около 0,2 а.е., или 20% расстояния. от Земли к Солнцу. Звездный ветер от звезды обеспечивает материал для аккреционного диска вокруг источника рентгеновского излучения. Материя во внутреннем диске нагревается до миллионов градусов, генерируя наблюдаемые рентгеновские лучи. Пара струй , расположенных перпендикулярно диску, уносит часть энергии падающего вещества в межзвездное пространство.

Эта система может принадлежать звездной ассоциации под названием Cygnus OB3, что означает, что Cygnus X-1 имеет возраст около пяти миллионов лет и образован из звезды- прародителя, у которой было более 40 солнечных масс . Большая часть массы звезды была потеряна, скорее всего, из-за звездного ветра. Если бы эта звезда взорвалась как сверхновая , образовавшаяся сила, скорее всего, выбросила бы остаток из системы. Следовательно, вместо этого звезда могла схлопнуться прямо в черную дыру.

Лебедь X-1 был предметом дружеского научного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном в 1975 году, причем Хокинг сделал ставку на то, что это не черная дыра. Он признал ставку в 1990 году после того, как данные наблюдений подтвердили, что в системе действительно существует черная дыра . У этой гипотезы отсутствуют прямые эмпирические доказательства, но она обычно принимается на основе косвенных доказательств.

СОДЕРЖАНИЕ

Открытие и наблюдение

Наблюдение за рентгеновским излучением позволяет астрономам изучать небесные явления с участием газа с температурами в миллионы градусов. Однако, поскольку рентгеновское излучение блокируется атмосферой Земли , наблюдение за небесными источниками рентгеновского излучения невозможно без подъема инструментов на высоту, где рентгеновские лучи могут проникать. Cygnus X-1 был обнаружен с помощью рентгеновских приборов , которые подняла в воздух зондирующая ракета, запущенная с ракетного полигона Уайт-Сэндс в Нью-Мексико . В рамках постоянных усилий по картированию этих источников в 1964 году была проведена съемка с использованием двух суборбитальных ракет Aerobee . На ракетах были установлены счетчики Гейгера для измерения рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 1–1. 15 Å на участке неба 8,4 °. Эти инструменты летели по небу, когда ракеты вращались, создавая карту близких сканов.

В результате этих обзоров было обнаружено восемь новых источников космического рентгеновского излучения, включая Cyg XR-1 (позже Cyg X-1) в созвездии Лебедя. В небесных координаты этого источника были оценены , как прямое восхождение 19 ч 53 м и склонение 34,6 °. Он не был связан с каким-либо особенно заметным радио или оптическим источником в этом месте.

Видя необходимость более длительных исследований, в 1963 году Риккардо Джаккони и Херб Гурски предложили первый орбитальный спутник для изучения источников рентгеновского излучения. НАСА запустило свой спутник Ухуру в 1970 году, что привело к открытию 300 новых источников рентгеновского излучения. Расширенные наблюдения Ухуру за Лебедем X-1 показали колебания интенсивности рентгеновского излучения, происходящие несколько раз в секунду. Это быстрое изменение означало, что выработка энергии должна происходить в относительно небольшой области примерно 10 5 км , так как скорость света ограничивает связь между более удаленными регионами. Для сравнения: диаметр Солнца составляет около 1,4 × 10 6 км .

В апреле-мае 1971 года Люк Брейс и Джордж К. Майли из Лейденской обсерватории и независимо Роберт М. Хьельминг и Кэмпбелл Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории обнаружили радиоизлучение от Лебедя X-1, и их точное положение по радиосвязи определило точку X -источник излучения звезды AGK2 +35 1910 = HDE 226868. На небесной сфере эта звезда находится примерно в половине градуса от звезды 4-й величины Эта Лебедя . Это сверхгигантская звезда, которая сама по себе не способна излучать наблюдаемое количество рентгеновских лучей. Следовательно, у звезды должен быть компаньон, который мог бы нагревать газ до миллионов градусов, необходимых для создания источника излучения для Лебедя X-1.

Луиза Вебстер и Пол Murdin , в Королевской Гринвичской обсерватории , и Чарльз Томас Болтон , работая независимо друг от друга на университете Торонто «ы Дэвид Данлап обсерватории , объявили об открытии массивного скрытого компаньона HDE 226868 в 1971 г. Измерения доплеровского сдвига в спектр звезды продемонстрировал присутствие спутника и позволил оценить его массу по параметрам орбиты. Основываясь на высокой предсказанной массе объекта, они предположили, что это может быть черная дыра, поскольку самая большая из возможных нейтронных звезд не может превышать массу Солнца в три раза .

После дальнейших наблюдений, подкрепляющих доказательства, к концу 1973 года астрономическое сообщество в целом признало, что Лебедь X-1, скорее всего, был черной дырой. Более точные измерения Cygnus X-1 показали изменчивость до одной миллисекунды . Этот интервал согласуется с турбулентностью в диске аккрецированной материи, окружающем черную дыру — аккреционном диске . Рентгеновские всплески, которые длятся примерно треть секунды, соответствуют ожидаемым временным рамкам падения вещества на черную дыру.

Cygnus X-1 с тех пор широко изучается с использованием наблюдений с орбитальных и наземных инструментов. Сходство между излучением рентгеновских двойных систем, таких как HDE 226868 / Cygnus X-1, и активных ядер галактик, предполагает общий механизм генерации энергии, включающий черную дыру, орбитальный аккреционный диск и связанные с ними струи . По этой причине Cygnus X-1 идентифицирован среди класса объектов, называемых микроквазарами ; аналог квазаров или квазизвездных радиоисточников, ныне известных как далекие активные ядра галактик. Научные исследования двойных систем, таких как HDE 226868 / Cygnus X-1, могут привести к дальнейшему пониманию механики активных галактик .

Бинарная система

Компактный объект и голубой сверхгигант звезда образуют двойную систему , в которой они вращаются вокруг своего центра масс каждые 5.599829 дней. С точки зрения Земли компактный объект никогда не отстает от другой звезды; другими словами, система не затмевает . Однако наклон плоскости орбиты к лучу зрения с Земли остается неопределенным, с предсказаниями в пределах 27–65 °. Исследование 2007 г. показало, что наклон составляет 48,0 ± 6,8 ° , что означает, что большая полуось находится примерно в 0,2 а.е. , или 20% расстояния от Земли до Солнца. Эксцентриситет орбиты считается только 0,0018 ± 0,002 ; почти круговая орбита. Расстояние от Земли до этой системы составляет около 1860 ± 120 парсек (6070 ± 390 световых лет ).

Система HDE 226868 / Cygnus X-1 имеет общее движение в космосе с ассоциацией массивных звезд под названием Cygnus OB3, которая расположена примерно на расстоянии 2000 парсеков от Солнца. Это означает, что HDE 226868, Cygnus X-1 и эта ассоциация OB могли образоваться в одно и то же время и в одном месте. Если это так, то возраст системы составляет около 5 ± 1,5 млн лет . Движение HDE 226868 относительно Cygnus OB3 равно 9 ± 3 км / с ; типичное значение для случайного движения в звездной ассоциации. HDE 226868 о 60 парсеков от центра ассоциации, и могли бы достичь этого разделения примерно за 7 ± 2 млн лет, что примерно совпадает с оценочным возрастом ассоциации.

Обладая галактической широтой 4 градуса и 71 градусом галактической долготы , эта система расположена внутри, вдоль того же отрога Ориона, в котором Солнце находится внутри Млечного Пути , недалеко от того места, где отрог приближается к рукаву Стрельца . Лебедь X-1 был описан как принадлежащий к руке Стрельца, хотя структура Млечного Пути точно не установлена.

Компактный объект

Судя по различным методикам, масса компактного объекта превышает максимальную массу нейтронной звезды . Звездные эволюционные модели предполагают массу 20 ± 5 солнечных масс , в то время как другие методы дали 10 солнечных масс. Измерение периодичности рентгеновского излучения вблизи объекта позволило получить более точное значение 14,8 ± 1 массы Солнца . Во всех случаях объект, скорее всего, является черной дырой — областью пространства с гравитационным полем , достаточно сильным, чтобы предотвратить выход электромагнитного излучения изнутри. Граница этой области называется горизонтом событий и имеет эффективный радиус, называемый радиусом Шварцшильда , который составляет примерно 44 км для Cygnus X-1. Все (включая материю и фотоны ), проходящее через эту границу, не может убежать. Новые измерения, опубликованные в 2021 году, дали оценочную массу 21,2 ± 2,2 массы Солнца .

Свидетельства именно такого горизонта событий могли быть обнаружены в 1992 году с помощью наблюдений в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне с помощью высокоскоростного фотометра на космическом телескопе Хаббла . По мере того как самосветящиеся сгустки вещества спиралевидно попадают в черную дыру, их излучение будет испускаться в виде серии импульсов, которые подвержены гравитационному красному смещению по мере приближения вещества к горизонту. То есть длины волн излучения будут неуклонно увеличиваться, как и предсказывает общая теория относительности . Материя, ударяющаяся о твердый компактный объект, испустит последний всплеск энергии, тогда как материал, проходящий через горизонт событий, не испустит. Были обнаружены две такие «умирающие последовательности импульсов», что согласуется с существованием черной дыры.

Вращение компактного объекта еще не определено. Прошлый анализ данных космической рентгеновской обсерватории Чандра показал, что Cygnus X-1 не вращался в значительной степени. Однако данные, обнародованные в 2011 году, показывают, что он вращается чрезвычайно быстро, примерно 790 раз в секунду.

Формирование

Самая большая звезда в ассоциации Cygnus OB3 имеет массу в 40 раз больше Солнца. Поскольку более массивные звезды эволюционируют быстрее, это означает, что звезда-прародитель Лебедя X-1 имела массу более 40 солнечных. Учитывая текущую предполагаемую массу черной дыры, звезда-прародитель, должно быть, потеряла более 30 солнечных масс вещества. Часть этой массы могла быть потеряна HDE 226868, тогда как оставшаяся часть, скорее всего, была выброшена сильным звездным ветром. Гелий обогащение HDE 226868 в наружной атмосфере может быть доказательством этого массообмена. Возможно, ее прародитель превратился в звезду Вольфа – Райе , которая выбрасывает значительную часть своей атмосферы, используя именно такой мощный звездный ветер.

Если бы звезда-прародитель взорвалась как сверхновая , то наблюдения подобных объектов показывают, что остаток, скорее всего, был бы выброшен из системы с относительно высокой скоростью. Поскольку объект оставался на орбите, это указывает на то, что его прародитель, возможно, рухнул прямо в черную дыру, не взорвавшись (или, в лучшем случае, произвел только относительно скромный взрыв).

Аккреционный диск

Считается, что компактный объект вращается вокруг тонкого плоского диска аккреции материи, известного как аккреционный диск . Этот диск сильно нагревается за счет трения между ионизированным газом на более быстро движущихся внутренних орбитах и ​​на более медленных внешних. Он разделен на горячую внутреннюю область с относительно высоким уровнем ионизации, образующую плазму, и более холодную, менее ионизированную внешнюю область, которая простирается примерно в 500 раз больше радиуса Шварцшильда, или примерно на 15 000 км.

Хотя Cygnus X-1 сильно и непостоянно изменчив, он, как правило, является самым ярким постоянным источником жесткого рентгеновского излучения с энергией от 30 до нескольких сотен кэВ в небе. Рентгеновские лучи производятся в виде фотонов с меньшей энергией в тонком внутреннем аккреционном диске, а затем получают больше энергии за счет комптоновского рассеяния с очень высокотемпературными электронами в геометрически более толстой, но почти прозрачной короне, окружающей его, а также в результате некоторого дальнейшего отражения. с поверхности тонкого диска. Альтернативная возможность состоит в том, что рентгеновское излучение может быть комптоновским, рассеянным основанием струи, а не дисковой короной.

Рентгеновское излучение от Лебедя X-1 может изменяться по несколько повторяющейся схеме, называемой квазипериодическими колебаниями (QPO). Масса компактного объекта, по-видимому, определяет расстояние, на котором окружающая плазма начинает излучать эти QPO, причем радиус излучения уменьшается по мере уменьшения массы. Этот метод использовался для оценки массы Лебедя X-1, обеспечивая перекрестную проверку с другими массовыми производными.

Пульсации со стабильным периодом, подобные тем, которые возникают при вращении нейтронной звезды, никогда не наблюдались с Лебедя X-1. Пульсации нейтронных звезд вызваны магнитным полем нейтронной звезды; однако теорема об отсутствии волос гарантирует, что черные дыры не имеют магнитных полюсов. Например, рентгеновская двойная звезда V 0332 + 53 считалась возможной черной дырой, пока не были обнаружены пульсации. Лебедь X-1 также никогда не демонстрировал рентгеновских всплесков, подобных тем, которые наблюдаются от нейтронных звезд. Лебедь X-1 непредсказуемо меняется между двумя состояниями рентгеновского излучения, хотя рентгеновское излучение также может непрерывно меняться между этими состояниями. В наиболее распространенном состоянии рентгеновские лучи «жесткие», что означает, что большая часть рентгеновских лучей имеет высокую энергию. В менее распространенном состоянии рентгеновские лучи «мягкие», при этом большее количество рентгеновских лучей имеет более низкую энергию. Мягкое состояние также демонстрирует большую изменчивость. Считается, что твердое состояние возникает в короне, окружающей внутреннюю часть более непрозрачного аккреционного диска. Мягкое состояние возникает, когда диск приближается к компактному объекту (возможно, так близко, как 150 км ), сопровождающийся остыванием или выбросом короны. Когда генерируется новая корона, Cygnus X-1 переходит обратно в жесткое состояние.

Спектральный переход Лебедя X-1 можно объяснить с помощью двухкомпонентного раствора адвективного потока, предложенного Чакрабарти и Титарчук. Жесткое состояние генерируется обратной комптонизацией затравочных фотонов из диска Кеплариана, а также синхротронных фотонов, производимых горячими электронами в граничном слое, поддерживаемом центробежным давлением ( CENBOL ).

Рентгеновский поток от Cygnus X-1 периодически меняется каждые 5,6 г , особенно во время верхнего соединения, когда орбитальные объекты наиболее близко выровнены с Землей, а компактный источник является более удаленным. Это указывает на то, что выбросы частично блокируются околозвездным веществом, которым может быть звездный ветер от звезды HDE 226868. Существует примерно 300-дневная периодичность излучения, которая могла быть вызвана прецессией аккреционного диска.

Струи

Когда сросшееся вещество падает на компактный объект, оно теряет гравитационную потенциальную энергию . Часть этой высвобождаемой энергии рассеивается струями частиц, выровненными перпендикулярно аккреционному диску, которые текут наружу с релятивистскими скоростями. (То есть частицы движутся со скоростью, составляющей значительную часть скорости света .) Эта пара струй обеспечивает аккреционный диск средством для сброса избыточной энергии и углового момента . Они могут создаваться магнитными полями в газе, окружающем компактный объект.

Джеты Cygnus X-1 являются неэффективными излучателями и поэтому выделяют лишь небольшую часть своей энергии в электромагнитном спектре . То есть они кажутся «темными». Предполагаемый угол сопел к линии визирования составляет 30 °, и они могут прецессировать . Один из джетов сталкивается с относительно плотной частью межзвездной среды (ISM), образуя кольцо под напряжением, которое можно обнаружить по его радиоизлучению. Это столкновение, похоже, формирует туманность , которая наблюдалась в оптическом диапазоне длин волн . Чтобы создать эту туманность, джет должен иметь расчетную среднюю мощность 4– 14 × 10 36 эрг / с , или (9 ± 5) × 10 29 Вт . Это более чем в 1000 раз превышает мощность, излучаемую Солнцем. В противоположном направлении нет соответствующего кольца, потому что эта струя обращена к области с меньшей плотностью ISM .

В 2006 году Cygnus X-1 стал первой черной дырой звездной массы, обнаружившей свидетельства гамма- излучения в диапазоне очень высоких энергий. 100 ГэВ . Сигнал наблюдался одновременно со вспышкой жесткого рентгеновского излучения, что указывает на связь между событиями. Рентгеновская вспышка могла возникнуть у основания струи, а гамма-лучи могли образоваться там, где струя взаимодействовала со звездным ветром HDE 226868.

HDE 226868

HDE 226868 — звезда-сверхгигант со спектральным классом O9,7 Iab, который находится на границе между звездами класса O и класса B. Его температура поверхности оценивается в 31 000 К, а его масса примерно в 20-40 раз больше массы Солнца . Основываясь на звездной модели эволюции, на расчетном расстоянии в 2 000 парсеков эта звезда может иметь радиус, равный примерно 15–17- кратному радиусу Солнца, и примерно в 300–400 000 раз больше светимости Солнца . Для сравнения, компактный объект, по оценкам, вращается вокруг HDE 226868 на расстоянии около 40 радиусов Солнца, что в два раза больше радиуса этой звезды.

Поверхность HDE 226868 приливно искажается под действием силы тяжести массивного компаньона, образуя форму слезы, которая дополнительно искажается при вращении. Это приводит к тому, что оптическая яркость звезды изменяется на 0,06 звездной величины в течение каждой 5,6-дневной двойной орбиты, при этом минимальная величина достигается, когда система выровнена по лучу зрения. «Эллипсоидальная» картина изменения блеска является результатом потемнения к краю и затемнения поверхности звезды под действием силы тяжести .

Когда спектр HDE 226868 сравнивается с аналогичной звездой Эпсилон Орион , первая показывает переизбыток гелия и недостаток углерода в ее атмосфере. В ультрафиолетовых и альфа — водорода спектральные линии HDE 226868 представлены профили , аналогичные звезды Р Лебедя , который указывает , что звезда окружена газовой оболочкой , которая ускоряется от звезды со скоростью около 1500 км / с.

Считается, что, как и другие звезды этого спектрального класса, HDE 226868 теряет массу в звездном ветре с оценочной скоростью 2,5 × 10 −6 солнечных масс в год. Это эквивалентно потере массы, равной солнечной, каждые 400 000 лет. Гравитационное влияние компактного объекта, похоже, меняет этот звездный ветер, создавая сфокусированную геометрию ветра, а не сферически-симметричный ветер. Рентгеновские лучи из области, окружающей компактный объект, нагревают и ионизируют этот звездный ветер. По мере того как объект движется через различные области звездного ветра в течение своей 5,6-дневной орбиты, УФ-линии, радиоизлучение и сами рентгеновские лучи изменяются.

Рош из HDE 226868 определяет область пространства вокруг звезды , где орбитальный материал остается гравитационно связанной. Материал, который выходит за пределы этой доли, может упасть на орбитального спутника. Предполагается, что эта полость Роша находится близко к поверхности HDE 226868, но не выходит за ее пределы, поэтому материал на поверхности звезды не уносится ее спутником. Однако значительная часть звездного ветра, излучаемого звездой, попадает на аккреционный диск компактного объекта после прохождения за пределы этой доли.

Газ и пыль между Солнцем и HDE 226868 приводят к уменьшению видимой величины звезды, а также к покраснению оттенка — красный свет может более эффективно проникать через пыль в межзвездной среде. Расчетное значение межзвездной экстинкции (А _V ) 3,3 величины . Без промежуточного вещества HDE 226868 была бы звездой пятой величины и, следовательно, была бы видима невооруженным глазом.

Стивен Хокинг и Кип Торн

Лебедь X-1 был предметом пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном , в котором Хокинг сделал ставку против существования черных дыр в этом регионе. Позже Хокинг описал это как своего рода «страховой полис». В своей книге «Краткая история времени» он писал:

Для меня это была форма страхового полиса. Я проделал много работы над черными дырами, и все было бы потрачено зря, если бы выяснилось, что черных дыр не существует. Но в этом случае я получил бы утешение, выиграв пари, которое принесло бы мне четыре года журнала Private Eye . Если черные дыры действительно существуют, Кип получит один год Пентхауса . Когда мы сделали ставку в 1975 году, мы были на 80% уверены, что Cygnus X-1 — это черная дыра. К настоящему времени [1988 г.] я бы сказал, что мы примерно на 95% уверены, но ставка еще не сделана.

Согласно обновленному выпуску « Краткой истории времени» , посвященному десятой годовщине , Хокинг признал ставку из-за последующих данных наблюдений в пользу черных дыр. В своей книге « Черные дыры и искажения времени» Торн сообщает, что Хокинг согласился с пари, ворвавшись в офис Торна, когда он был в России , нашел сфабрикованную ставку и подписал ее. (Хотя Хокинг называл пари, что сделка состоялась в 1975 году, сама сделанная ставка (написанная почерком Торна, с его подписями и подписями Хокинга) имеет дополнительные подписи свидетелей под надписью «Был свидетелем этого десятого декабря 1974 года». Эта дата была подтверждена. от Кипа Торна в выпуске Nova от 10 января 2018 г. на PBS .)

Источник