恆星僥倖逃過黑洞的威脅

2020-09-05 天文在線

天文學家新發現一個關於生存之戰的故事：一顆恆星與一個巨大的黑洞擦肩而過，而人們從X射線的描述中了解了事件的來龍去脈。

來自美國宇航局錢德拉X射線天文臺和歐空局的XMM牛頓衛星的數據顯示：在距離地球約2.5億光年的星系中，一個紅巨星過於靠近一個超大質量黑洞。這個黑洞位於一個名為GSN069的星系中，其質量約為太陽的40萬倍，處於超大質量黑洞的小端。

一旦紅巨星被黑洞的引力俘獲，含有氫氣的恆星外層將被剝離並被吸向黑洞，只留下恆星的核心——白矮星。

但英國的研究發現，白矮星也沒有倖免於難。「現在它被困在圍繞黑洞的橢圓軌道上，大約每9小時繞一圈。」

當白矮星每天幾乎繞軌道運行三圈時，黑洞會在離黑洞最近的地方（距離黑洞不超過事件視界半徑的15倍，即不返回點）將物質帶走。恆星碎片進入黑洞周圍的一個圓盤，產生錢德拉和XMM牛頓衛星可以探測到的X射線爆發。此外，金預測，這對黑洞和白矮星還會發射引力波，特別是在它們相距最近的點。

這顆恆星及其軌道的未來會怎樣？引力波和恆星質量損失時體積增大的綜合作用會使軌道變得更圓，尺寸也會增大。在這種情況下，質量損失的速度逐漸減慢，白矮星慢慢地從黑洞中螺旋離開。

「它會努力逃走，但無法逃脫。「黑洞吸收它的速度會越來越慢，但這個過程永遠不會停止，」金說。「原則上，這種質量損失甚至將一直持續到白矮星變成一顆質量與木星相當的行星為止，甚至更久。對於宇宙來說，這將是一個非常緩慢且複雜的創造一個行星的方式！」

天文學家已經發現許多被黑洞（所謂的潮汐破壞事件）完全撕裂的恆星，卻幾乎沒有發現過恆星倖存下來的案例。

考慮到宇宙交通模式的統計數據，像這樣的擦肩而過應該比直接碰撞更常見，但是它們很容易因為一些原因而沒有被觀測到。首先，一顆質量更大且存活下來的恆星圍繞黑洞的軌道周期會更長，這樣天文學家才能觀測到重複的爆發。另一個問題是，比GSN069中的黑洞質量大得多的超大質量黑洞可能會直接吞噬一顆恆星，而不是讓恆星落入軌道然後周期性地失去質量。在這種情況下，天文學家不會觀察到任何東西。

金說：「從天文學的角度來看，我們目前的望遠鏡只能在很短的時間內看到這樣的事件，大約2000年左右。」。「所以，除非我們非常幸運碰巧趕上了，否則我們可能會錯過更多的東西。這種與恆星的遭遇可能是像GSN 069大小的黑洞增長的主要途徑之一。」

金預測白矮星的質量只有太陽質量的十分之二。如果白矮星是紅巨星的核心，在被完全剝奪氫元素後，它應該富含氦。而氦可能是由紅巨星演化過程中氫原子的聚變產生的。

金說：「能推斷出2.5億光年外的一顆微小恆星的軌道、質量和組成，這是很了不起的。」

金根據他的設想做了一個預測。由於白矮星離黑洞如此之近，廣義相對論的影響意味著軌道軸線的方向應該發生擺動，或者說「進動」。這種擺動應該每兩天重複一次，並且可以通過足夠長的觀測來檢測到。

一篇描述這些結果的論文發表在2020年的《皇家天文學會月刊》上，並可在網上查閱。美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心管理著錢德拉計劃。史密森天體物理天文臺的錢德拉X射線中心控制著來自劍橋和麻薩諸塞州伯靈頓的科學和飛行操作。

作者: William Bryan

FY: 瓶子

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