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发现了质量最低的黑洞 仅为太阳质量的3.3倍

  • 科学
  • 2019-11-05 16:24:27
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黑洞是自然界最令人敬畏和神秘的力量之一。同时,它们对于我们了解天体物理学至关重要。黑洞不仅是特别庞大的恒星在其生命周期结束时会产生超新星的结果,它们还是我们对广义相对论的理解的关键,并且被认为在宇宙演化中发挥了作用。

这项研究确定了艺术家对黑洞天体物理学家的渲染。在一个红色巨星附近可以看到黑洞(左下)。该发现表明,可能存在一整类天文学家不知道的黑洞。

因此,多年来,天文学家一直在努力在银河系中创建黑洞普查。但是,新的研究表明,天文学家可能已经忽略了整个类别的黑洞。这来自最近的发现,在该发现中,一组天文学家观察到一个黑洞,该黑洞刚好超过三个太阳质量,使其成为迄今为止发现的最小黑洞。

这项名为“非相互作用的低质量黑洞-巨星双星系统”的研究最近发表在《科学》杂志上。负责团队由俄亥俄州立大学的天文学家领导,成员包括哈佛-史密森天体物理学中心,卡内基科学研究院天文台,黑暗宇宙学中心以及多家天文台和大学。

这一发现特别值得注意,因为它确定了天体物理学家以前不知道的物体。结果,科学家现在被迫重新考虑他们对我们银河系中黑洞数量的了解。正如托德·汤普森,教授天文俄亥俄州立大学和研究的主要作者,解释说:

“我们正在显示这一暗示,那就是我们还没有真正探索寻找黑洞的人口。人们试图了解超新星爆炸,超大质量黑星爆炸,超大质量恒星中元素的形成方式。因此,如果我们能揭示出新的黑洞群,它将告诉我们更多有关哪些恒星爆炸,哪些恒星不爆炸,哪些黑洞,哪些中子星爆炸的信息。它开辟了一个新的研究领域。”

由于他们对时空的影响,天文学家一直在寻找黑洞和中子星。由于它们也是恒星死亡时产生的结果,因此它们还可以提供有关恒星生命周期以及元素形成方式的信息。为了做到这一点,天文学家首先需要确定我们银河系中黑洞的位置,这要求他们知道寻找什么。

找到它们的一种方法是寻找双星系统,其中两颗恒星由于它们的相互引力而彼此锁定在轨道上。当其中一颗恒星死亡时,它产生的强烈引力将开始将物质从另一颗恒星中拉出。恒星物质发射出的热量和X射线被吸积到黑洞伴星上,从而证明了这一点。

到现在为止,天文学家发现我们银河系中的所有黑洞都在5至15个太阳质量之间。相比之下,中子星通常不大于约2.1太阳质量,因为大于2.5太阳质量的任何东西都会坍塌而形成黑洞。当LIGO和处女座共同检测到由黑洞合并引起的引力波时,它们分别是31和25个太阳质量。

这表明黑洞可能出现在天文学家认为是正常范围之外。正如汤普森所说:

“立即,每个人都像'哇',因为它是如此壮观。不仅是因为它证明了LIGO的确有用,而且还因为群众众多。如此大的黑洞很大,我们以前从未见过。”

这一发现激发了汤普森和他的同事们去思考在最大的中子星和最小的黑洞之间可能存在未被发现的物体的可能性。为了对此进行研究,他们开始合并来自Apache Point天文台银河演化实验(APOGEE)的数据,这是一项天文学调查,收集了整个银河系中约100,000个恒星的光谱。

汤普森和他的同事检查了这个光谱是否有变化的迹象,这些变化表明了恒星是否可能绕着另一个物体旋转。具体来说,如果一颗恒星显示出多普勒频移的迹象-它的光谱在向蓝色端转变然后再向红色波长转变之间交替变化-这将表明它可能正在绕着看不见的同伴运行。

这种方法是确定恒星是否具有行星轨道系统的最有效和最受欢迎的方法之一。当行星绕着恒星运行时,它们在其上施加引力,使它来回运动。汤普森和他的同事们使用了相同的这种移位来确定是否有任何APOGEE恒星正在绕黑洞运行。

首先是汤普森(Thompson)将APOGEE数据缩小到200个最有趣的候选者。然后,他将数据提供给了Tharindu Jayasinghe(俄亥俄州立大学的研究生研究助理),然后他使用了OSU运行的全天候超新星自动调查(ASAS-SN)中的数据,该调查发现了1,000多个超新星,从而汇编了数千每个候选人的图像。

这揭示了一颗巨大的红色恒星,其运行轨道似乎比已知的黑洞小得多,但比已知的中子星大得多。将结果与来自Tillinghast反射器埃歇尔光谱仪(TRES)和盖亚卫星的其他数据相结合后,他们意识到他们发现了一个黑洞,其质量约为太阳质量的3.3倍。

这一结果不仅证实了一类新的低质量黑洞的存在,而且为定位它们提供了新的方法。正如汤普森所说:

“我们在这里所做的是找到一种新的搜索黑洞的方法,但是我们也有可能确定了天文学家以前不知道的新型低质量黑洞中的第一个。大量的事物告诉我们它们的形成和演化,也告诉我们它们的性质。”

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