加州理工学院最新发现一个黑洞三合体系统

2024年10月25日 16:22 次阅读 稿源:自由时报 条评论

宇宙中存在着许多令人难以想象的天体,其中最神秘莫测的,莫过于黑洞(black hole)。目前已知大多数黑洞都存在于双星系统(binary system)中,也就是一个黑洞与另一个天体(例如恒星、中子星或另一个黑洞)互相环绕运行。

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在这幅艺术家绘制的效果图中,中心黑洞 V404 Cygni(黑点)正在吞噬附近的一颗恒星(左侧的橙色体),而第二颗恒星(上方的白色闪光)则在更远的地方运行。 图片来源:Jorge Lugo

然而,美国麻省理工学院(MIT)和加州理工学院(Caltech)的物理学家团队,近期在《自然》(Nature)期刊发表一项令人惊叹的发现:他们首次观测到一个“黑洞三合体系统”(black hole triple),这项发现,为我们了解黑洞的形成和演化过程,提供了前所未有的新线索。

科学网站《IFLScience》23日报导,这个新发现的三合体系统,包含一个中心黑洞,以及一个距离较近的恒星,每6.5天环绕中心黑洞运行一次。 这与大多数双星系统的结构类似。 然而,令人惊讶的是,这个系统中还存在一个距离中心黑洞非常遥远的第二颗恒星,估计其公转周期长达7万年。

这个系统中,中心黑洞正在吞噬靠近其轨道运行的恒星,同时一个远距离的恒星也围绕黑洞运行。 这个奇特的现象,挑战了传统的黑洞形成理论。

一般认为,黑洞是由垂死恒星的剧烈爆炸(超新星爆发,supernova)所形成。然而,如果这个黑洞是由典型的超新星爆发形成,那么它在坍缩前释放的巨大能量,应该会将周围任何松散结合的天体都抛到远方。因此,这个遥远的恒星不应该还存在于这个系统中。

研究团队推测,这个黑洞的形成过程,可能并非一般剧烈的超新星爆发,而是较为“温和”的“直接坍缩”(direct collapse)。 恒星在直接坍缩过程中,会直接塌陷成黑洞,不会产生剧烈的能量释放,因此较不会影响到远处的天体。

由于这个三合体系统包含一颗距离非常遥远的恒星,这项发现为“直接坍缩”理论提供了强而有力的证据。 虽然天文学家已观测到许多由超新星爆发形成的黑洞,但这个三合体系统,可能是第一个直接证实黑洞可以透过“直接坍缩”形成的证据。

这个黑洞三合体系统的发现,几乎是偶然的。 研究团队在翻阅天文观测数据库 AladinLite 时,发现了这个位于银河系中,距离地球约8000光年的天体V404 Cygni。 这个黑洞在1992年被确认为黑洞,并被大量研究,但之前从未发现它是一个三合体系统。

研究人员分析了过去十年盖亚(Gaia)卫星所观测到的恒星数据,发现内外两颗恒星的运动完全一致,可能性只有千万分之一。他们计算出,外层恒星与中心黑洞的距离是地球与太阳距离的3500倍,相当于冥王星与太阳距离的100倍。 如此遥远的距离,加上两颗恒星一致的运动轨迹,让研究人员确信,这是一个黑洞三合体系统。

研究团队进一步利用计算机仿真,测试了这个三合体系统可能的形成过程。结果显示,最容易形成这种三合体系统的方式,是透过“直接坍缩”。此外,外层恒星正处于演化成红巨星的阶段,根据恒星演化模型,研究人员推断这个系统的年龄约为40亿年。

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