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,黑洞被一顆大品質的恆星環繞,吹著極強的風,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。 這些帶有黑洞和大品質恆星的系統被稱為「高品質X射線雙星」,對於理解黑洞的性質非常有説明。
自第一次發現以來,經過近60年的時間,只有少數類似的高品質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(高品質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,預計最終會成為高品質X射線雙星。 但是所有的高品質X射線雙星本身又藏在哪裡?
一種解釋是,即使黑洞被一顆吹著強風的大品質恆星所環繞,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,科學家們發現在高品質的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+大品質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品質X射線雙星,但這隻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品質X射線雙星的許多其他奧秘。