国家天文台确认天鹅座黑洞极端克尔特性

[ 录入者:zhangms | 时间:2014-07-05 10:07:57 | 作者: | 来源:国家天文台网站 | 浏览:1627次 ]

近日,国家天文台研究人员苟利军和其哈佛史密松天体物理中心的合作者利用多次X射线卫星(Chandra,Suzaku,和Swift等)数据,确认了天鹅座黑洞(Cygnus X-1)为极端克尔的特性,黑洞在以接近理论最大值的角动量转动。该项研究成果已在国际天文期刊《天体物理学杂志》(ApJ)发表(http://iopscience.iop.org/0004-637X/790/1/29/)。  

黑洞被认为是性质最为简单的天体,通常只需三个量(质量、角动量和电荷)就可以完全描述它。而天体物理当中的黑洞更为简单,质量和角动量两个量。角动量又常用归一化的无量纲自旋参数来表示,其绝对值的变化范围在0和1之间。0代表施瓦西黑洞(不转黑洞),1代表极端克尔黑洞(转动最大值);自旋参数的正负号代表了黑洞自旋和吸积盘的转动方向是否一致:一致为正,否则为负。 

天鹅座黑洞是人类历史上发现的第一个黑洞候选体,它存在于一个双星系统当中。自从20世纪60年代被发现,关于其是否为黑洞的争论就没有停止过,其中最为出名的就是物理学家霍金和索恩之间的黑洞之争,让此天体变得异常出名。通常来说,判断一个天体是否为黑洞的标准是中心天体的质量是否大于3—4个太阳质量。在2011年,苟利军及其合作者对此黑洞的距离、质量和角动量进行了精确测量(误差小于10%)。光学波段的数据表明这个黑洞的质量大约为15个太阳质量,从而确信无疑的表明中心是黑洞。与此同时,X射线波段的数据分析表明中心黑洞是一个极端克尔黑洞。这是首次对天鹅座黑洞做出的完整描述。  

极端克尔黑洞,无论是在限制大质量恒星演化、检验喷流产生机制,以及验证广义相对论等众多领域,都有着重要作用。寻找极端自旋黑洞将对这些研究方向提供重要的观测限制。尽管2011年的研究结果表明天鹅座黑洞为极端克尔,但此性质需加以确认。受观测模式和时间限制,2011年工作所使用的X射线光谱质量相对较差,而且只有一个符合分析条件的光谱。为了确认天鹅座黑洞自旋的本质,研究人员申请了更多的X射线望远镜观测时间和采取了更佳的观测模式。在此次发表的文章中,不仅得到了更多的光谱(5次观测11个光谱,6个可用光谱),而且光谱质量也比之前更好。从而在确认之前极端克尔黑洞的同时,对此黑洞的角动量做出了更强限制:自旋参数大于0.983(99.7%的概率;最大值为1)。 

此研究中所涉及的自旋测量方法为X射线连续谱拟合方法,是通过拟合来自黑洞吸积盘的整体黑体辐射来得到自旋值。此方法最初为高能物理所/国家天文台的张双南研究员等人于1997年提出,经过哈佛史密松天体物理中心科研人员的多年努力发展,目前被公认为测量恒星级黑洞自旋的最可靠方法。  

此项目得到了中科院先导“宇宙结构起源”专项和国家基金委的重点项目的资助。

天鹅座黑洞系统想象图。黑洞吸积来自于蓝巨星伴星的气体,在其周围形成吸积盘(红色)。吸积气体在落入黑洞之前,有一部分将被用来产生喷流。(绘图: NASA/CXC/Weiss)

上图:日本在国际空间站上的监视器MAXI观测的天鹅座黑洞强度时间演化图。下图:相对应的光谱硬度图(光谱硬度越低,表明吸积盘成分占主导,虚线之下的数据适合于自旋测量分析)。图中箭头和星号标明了各个卫星的观测时间。

Tags:天鹅座 克尔黑洞 中国

责任编辑:zhangms

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