20200424與黑洞近距離擦肩而過的恆星幸免於難

2020/04/30 173 天文探索 , 黑洞 , 白矮星 , 太空望遠鏡 , ,

天文學家可能發現了一種新的生存故事:一顆恆星曾與巨大黑洞擦肩而過,並透過X射線的感嘆聲而活了下來。

來自 NASA 錢卓拉X射線天文台和 ESA XMM-牛頓衛星的數據發現了這個故事,這個故事是發生在距離地球約 2.5 億光年的星系中,起因於一顆紅色的巨型恆星過於接近一顆超大質量的黑洞。這個黑洞位於一個名為 GSN 069 的星系中,其質量是太陽的 40 萬倍,屬於超大質量黑洞中較小規模的。

一旦紅巨星被黑洞的引力俘獲,恆星中含有氫的外層被剝去,並向黑洞方向延伸,留下了恆星的核心,這被稱為白矮星。

英國萊斯特大學進行這項研究的 Andrew King 說:「在我對X射線數據的解釋中,白矮星倖存了下來,但它並沒有逃脫,它現在陷入了環繞黑洞的橢圓軌道,大約每 9 個小時繞一圈。」


▲ 天文學家可能發現了一種新的生存故事:一顆恆星曾與巨大黑洞擦肩而過,並透過X射線的感嘆聲而活了下來。來自 NASA 錢卓拉X射線天文台和 ESA XMM-牛頓衛星的數據發現了這個故事,這個故事是發生在距離地球約 2.5 億光年的星系中,起因於一顆紅色的巨型恆星過於接近一顆超大質量的黑洞。這個黑洞位於一個名為 GSN 069 的星系中,其質量是太陽的 40 萬倍,屬於超大質量黑洞中較小規模的。(來源:X-ray: NASA/CXO/CSIC-INTA/G.Miniutti et al./圖片:NASA/CXC/M. Weiss

當白矮星進入近乎每天三次的軌道時,黑洞在其最近的距離(距離黑洞不超過 15 倍的事件視界半徑[不歸點])將物質拉走。恆星碎片進入到黑洞周圍的圓盤中,並釋放出錢卓拉X射線天文台和XMM-牛頓衛星能探測到的X射線爆發。此外,Andrew King 預測黑洞和白矮星會發出引力波,尤其是在它們在最近的點上。

這顆恆星及其軌道的未來會是什麼?引力波和失去質量恆星的綜合作用,應該會使軌道變得更圓並增大大小。在這種情況下,質量損失的速度會逐漸減慢,白矮星會慢慢地螺旋式地遠離黑洞。

Andrew King 說:「它會拼命地逃,但卻無法逃脫。黑洞會越來越慢地吞噬它,但永遠不會停止。原則上,這種質量的流失甚至會一直持續到白矮星成為一顆質量類似於木星的行星,這大約為一兆年後。這對宇宙來說將是一個異常緩慢而又曲折的星球製造方式!」

天文學家已經發現了很多恆星因與黑洞相遇而被完全撕碎的情況(所謂的潮汐中斷事件),但很少有報導這樣近距離失手的案例,恆星很可能在這種情況下倖存下來。

考慮到宇宙交通模式(Cosmic Traffic Patterns)的統計,像這樣的擦肩而過的相遇應該比直接碰撞更常見,但由於幾個原因,它們很容易被錯過。首先,對於天文學家來說一顆質量較大、存活下來的恆星可能需要太長時間才能完成一個環繞黑洞的軌道,這樣才能看到反復的爆發。另一個問題是,比 GSN 069 中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,而不是恆星落入周期性失去質量的軌道。在這種情況下,天文學家也不能觀測到什麼。

Andrew King 說:「從天文學角度來說,這個事件在我們目前的望遠鏡中只能看到很短的時間,也就是大約 2,000 年左右,所以,除非我們格外幸運地捕捉到的這一次,應該會有更多的天體被我們遺漏。這樣的相遇可能是 GSN 069 中這樣大小黑洞增長的主要途徑之一。」

Andrew King 預測白矮星的質量只有太陽的十分之二。如果白矮星是完全被剝離了氫氣的紅巨星核心,那麼它應該富含氦氣。而這些氦氣應該是紅巨星在演化過程中氫原子聚變產生的。

Andrew King 說:「可以推斷出 2.5 億光年外的一顆小恆星的軌道、質量和組成,這是非常了不起的。」

Andrew King 根據他的設想,做出了一個預測。由於白矮星離黑洞如此之近,廣義相對論的效應意味著軌道的軸線方向應該會發生搖擺,或者說是 "precess"。這種搖擺應該每兩天重複一次,如果觀測時間足夠長,可能會被探測到。」

描述這些結果的論文在 2020 年 3 月的《英國皇家天文學會月刊》(The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上,可線上查閱。

✎ 參考資料 · References

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