Cygnus X-1 (сокращенно Cyg X-1 ) [11] — галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя , первый источник, который был широко признан черной дырой . [12] [13] Он был обнаружен в 1964 году во время полета ракеты и является одним из самых мощных источников рентгеновского излучения, обнаруживаемых с Земли, создавая пиковую плотность потока рентгеновского излучения2,3 × 10−23 Вт / ( м 2 ⋅ Гц ) (2,3 × 10 3 янский ). [14] [15] Он остается одним из наиболее изученных астрономических объектов в своем классе. Компактный объект, как сейчас оценивается, имеет массу примерно в 21,2 раза больше массы Солнца [5] [6] и, как было показано, слишком мал, чтобы быть любым известным типом нормальной звезды или другим вероятным объектом, кроме черной дыры. [16] Если это так, радиус его горизонта событий300 км «как верхняя граница линейного размера области источника» случайных рентгеновских всплесков, длящихся всего около 1 мс. [17]
Cygnus X-1 принадлежит к массивной рентгеновской двойной системе, расположенной примерно в 2,22 килопарсеках от Солнца , [ 5] которая включает в себя голубую сверхгигантскую переменную звезду, обозначенную HDE 226868 , [18] вокруг которой она вращается на расстоянии около 0,2 а.е., или 20% расстояния от Земли до Солнца . Звездный ветер от звезды обеспечивает материал для аккреционного диска вокруг источника рентгеновского излучения. [19] Материя во внутреннем диске нагревается до миллионов градусов, генерируя наблюдаемые рентгеновские лучи. [20] [21] Пара релятивистских струй , расположенных перпендикулярно диску, уносит часть энергии падающего материала в межзвездное пространство. [22]
Эта система может принадлежать к звездной ассоциации под названием Cygnus OB3, что означает, что Cygnus X-1 имеет возраст около 5 миллионов лет и образовалась из звезды-прародительницы, которая имела более40 солнечных масс . Большая часть массы звезды была сброшена, скорее всего, в виде звездного ветра. Если бы эта звезда затем взорвалась как сверхновая , результирующая сила, скорее всего, вытолкнула бы остаток из системы. Следовательно, звезда могла бы вместо этого коллапсировать прямо в черную дыру. [23]
Cygnus X-1 был предметом дружеского научного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном в 1975 году, причем Хокинг, поставивший на то, что это не черная дыра, надеялся проиграть. [24] Хокинг признал пари в 1990 году после того, как данные наблюдений укрепили доводы в пользу того, что в системе действительно есть черная дыра[обновлять] . По состоянию на 2004 год эта гипотеза не имела прямых эмпирических доказательств, но была общепринятой на основе косвенных доказательств. [25]
Наблюдение за рентгеновским излучением позволяет астрономам изучать небесные явления, связанные с газом с температурой в миллионы градусов. Однако, поскольку рентгеновское излучение блокируется атмосферой Земли , наблюдение за небесными источниками рентгеновского излучения невозможно без подъема инструментов на высоты, куда могут проникать рентгеновские лучи. [26] [27] Cygnus X-1 был обнаружен с помощью рентгеновских инструментов , которые были подняты наверх зондирующей ракетой, запущенной с ракетного полигона Уайт-Сэндс в Нью-Мексико . В рамках продолжающихся усилий по картированию этих источников в 1964 году было проведено обследование с использованием двух суборбитальных ракет Aerobee . Ракеты несли счетчики Гейгера для измерения рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 1–15 Å по сечению неба в 8,4°. Эти инструменты проносились по небу, пока ракеты вращались, создавая карту близко расположенных сканирований. [11]
В результате этих исследований было обнаружено восемь новых источников космических рентгеновских лучей, включая Cyg XR-1 (позднее Cyg X-1) в созвездии Лебедя. Небесные координаты этого источника были оценены как прямое восхождение 19 ч 53 м и склонение 34,6°. Он не был связан ни с каким особенно заметным радио- или оптическим источником в этом положении. [11]
Видя необходимость в более длительных исследованиях, в 1963 году Риккардо Джаккони и Херб Гурски предложили первый орбитальный спутник для изучения источников рентгеновского излучения. NASA запустило свой спутник Uhuru в 1970 году, [28] что привело к открытию 300 новых источников рентгеновского излучения. [29] Расширенные наблюдения Uhuru за Cygnus X-1 показали колебания интенсивности рентгеновского излучения, которые происходят несколько раз в секунду. [30] Это быстрое изменение означало, что генерация рентгеновского излучения должна происходить в компактной области размером не более ~10 5 км (примерно размер Юпитера ), [31] поскольку скорость света ограничивает связь между более отдаленными регионами.
В апреле-мае 1971 года Люк Брейс и Джордж К. Майли из Лейденской обсерватории , и независимо Роберт М. Хьеллминг и Кэмпбелл Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории , [32] обнаружили радиоизлучение от Лебедя X-1, и их точное радиопозиционирование указало на источник рентгеновского излучения звезды AGK2 +35 1910 = HDE 226868. [33] [34] На небесной сфере эта звезда находится примерно в половине градуса от звезды 4-й величины Эта Лебедя . [35] Это сверхгигантская звезда, которая сама по себе не способна испускать наблюдаемые количества рентгеновских лучей. Следовательно, у звезды должен быть компаньон, который мог бы нагреть газ до миллионов градусов, необходимых для создания источника излучения для Лебедя X-1.
Луиза Вебстер и Пол Мёрдин из Королевской Гринвичской обсерватории [ 36] и Чарльз Томас Болтон , работавшие независимо в обсерватории Дэвида Данлэпа при Университете Торонто [37], объявили об открытии массивного скрытого компаньона HDE 226868 в 1972 году. Измерения доплеровского смещения спектра звезды продемонстрировали присутствие компаньона и позволили оценить его массу по орбитальным параметрам. [38] Основываясь на высокой предсказанной массе объекта, они предположили, что это может быть черная дыра , поскольку самая большая возможная нейтронная звезда не может превышать трех масс Солнца . [39]
С дальнейшими наблюдениями, подкрепившими доказательства, к концу 1973 года астрономическое сообщество в целом признало, что Cygnus X-1, скорее всего, является черной дырой. [40] [41] Более точные измерения Cygnus X-1 продемонстрировали изменчивость вплоть до одной миллисекунды . Этот интервал согласуется с турбулентностью в диске аккрецированной материи, окружающем черную дыру — аккреционном диске . Рентгеновские всплески, которые длятся около трети секунды, соответствуют ожидаемым временным рамкам падения материи в сторону черной дыры. [42]
Cygnus X-1 с тех пор широко изучался с использованием наблюдений с помощью орбитальных и наземных инструментов. [2] Сходство между излучениями рентгеновских двойных систем, таких как HDE 226868/Cygnus X-1, и активных ядер галактик предполагает общий механизм генерации энергии, включающий черную дыру, орбитальный аккреционный диск и связанные с ним струи . [43] По этой причине Cygnus X-1 идентифицируется среди класса объектов, называемых микроквазарами ; аналог квазаров , или квазизвездных радиоисточников, которые теперь известны как далекие активные ядра галактик. Научные исследования двойных систем, таких как HDE 226868/Cygnus X-1, могут привести к дальнейшему пониманию механики активных галактик . [44]
Компактный объект и голубая сверхгигантская звезда образуют двойную систему , в которой они вращаются вокруг своего центра масс каждые 5,599829 дней. [45] С точки зрения Земли компактный объект никогда не заходит за другую звезду; другими словами, система не затмевается . Однако наклон орбитальной плоскости к линии зрения с Земли остается неопределенным, с прогнозами в диапазоне от 27° до 65°. Исследование 2007 года оценило наклон как48,0 ± 6,8° , что означает, что большая полуось составляет около0,2 а.е. или 20% расстояния от Земли до Солнца. Считается, что эксцентриситет орбиты составляет всего0,018 ± 0,002 , что означает почти круговую орбиту. [46] [47] Расстояние от Земли до этой системы вычисляется по тригонометрическому параллаксу как 1860 ± 120 парсеков (6070 ± 390 световых лет ), [48] а по радиоастрометрии как 2220 ± 170 парсеков (7240 ± 550 световых лет). [5]
Система HDE 226868/Cygnus X-1 разделяет общее движение в пространстве с ассоциацией массивных звезд под названием Cygnus OB3, которая расположена примерно в 2000 парсеках от Солнца. Это означает, что HDE 226868, Cygnus X-1 и эта ассоциация OB могли образоваться в одно и то же время и в одном и том же месте. Если это так, то возраст системы составляет около5 ± 1,5 миллиона лет . Движение HDE 226868 относительно Cygnus OB3 равно9 ± 3 км/с , типичное значение для случайного движения внутри звездной ассоциации. HDE 226868 составляет около60 парсеков от центра ассоциации и мог достичь этого расстояния примерно за7 ± 2 миллиона лет — что примерно согласуется с предполагаемым возрастом ассоциации. [23]
С галактической широтой 4° и галактической долготой 71° [2] эта система лежит внутри вдоль того же отрога Ориона , в котором находится Солнце внутри Млечного Пути , [50] недалеко от того места, где отрог приближается к рукаву Стрельца . Лебедь X-1 был описан как принадлежащий рукаву Стрельца, [51] хотя структура Млечного Пути не установлена должным образом.
С помощью различных методов масса компактного объекта оказывается больше максимальной массы нейтронной звезды . Модели звездной эволюции предполагают массу20 ± 5 солнечных масс , [7] в то время как другие методы дали 10 солнечных масс. Измерение периодичности в рентгеновском излучении вблизи объекта дало более точное значение14,8 ± 1 солнечных масс . Во всех случаях объект, скорее всего, является черной дырой [46] [52] — областью пространства с гравитационным полем , достаточно сильным, чтобы предотвратить выход электромагнитного излучения изнутри. Граница этой области называется горизонтом событий и имеет эффективный радиус, называемый радиусом Шварцшильда , который составляет около44 км для Cygnus X-1. Все (включая материю и фотоны ), что проходит через эту границу, не может вырваться. [53] Новые измерения, опубликованные в 2021 году, дали оценку массы21,2 ± 2,2 солнечных масс . [5] [6]
Доказательства существования именно такого горизонта событий могли быть обнаружены в 1992 году с помощью ультрафиолетовых (УФ) наблюдений с помощью высокоскоростного фотометра на космическом телескопе Хаббл . Когда самосветящиеся сгустки материи по спирали движутся в черную дыру, их излучение испускается серией импульсов, которые подвергаются гравитационному красному смещению по мере приближения материала к горизонту. То есть длины волн излучения неуклонно увеличиваются, как и предсказывает общая теория относительности . Материя, ударяющаяся о твердый, компактный объект, испускает последний всплеск энергии, тогда как материал, проходящий через горизонт событий, этого не делает. Были обнаружены две такие «умирающие последовательности импульсов», что согласуется с существованием черной дыры. [54]
Вращение компактного объекта пока не определено. Прошлый анализ данных космической рентгеновской обсерватории Чандра показал, что Cygnus X-1 не вращается в какой-либо значительной степени. [55] [56] Однако данные, представленные в 2011 году, говорят о том, что он вращается чрезвычайно быстро, примерно 790 раз в секунду. [57]
Самая большая звезда в ассоциации Cygnus OB3 имеет массу в 40 раз больше массы Солнца. Поскольку более массивные звезды эволюционируют быстрее, это означает, что звезда-прародительница для Cygnus X-1 имела более 40 солнечных масс. Учитывая текущую оценку массы черной дыры, звезда-прародительница должна была потерять более 30 солнечных масс материала. Часть этой массы могла быть потеряна HDE 226868, в то время как остальная часть, скорее всего, была выброшена сильным звездным ветром. Обогащение гелием внешней атмосферы HDE 226868 может быть свидетельством этого переноса массы. [58] Возможно, прародительница могла эволюционировать в звезду Вольфа-Райе , которая выбрасывает значительную часть своей атмосферы, используя именно такой мощный звездный ветер. [23]
Если звезда-прародитель взорвалась как сверхновая , то наблюдения за подобными объектами показывают, что остаток, скорее всего, был бы выброшен из системы на относительно высокой скорости. Поскольку объект оставался на орбите, это указывает на то, что прародитель мог коллапсировать прямо в черную дыру, не взорвавшись (или в лучшем случае произведя лишь относительно скромный взрыв). [23]
Предполагается, что компактный объект вращается вокруг тонкого плоского диска аккрецирующей материи, известного как аккреционный диск . Этот диск интенсивно нагревается трением между ионизированным газом на более быстро движущихся внутренних орбитах и на более медленных внешних. Он разделен на горячую внутреннюю область с относительно высоким уровнем ионизации, образующую плазму , и более холодную, менее ионизированную внешнюю область, которая простирается примерно на 500 радиусов Шварцшильда [21] или около 15 000 км.
Хотя Cygnus X-1 очень и нерегулярно изменчив, он обычно является самым ярким постоянным источником жесткого рентгеновского излучения — с энергией от 30 до нескольких сотен килоэлектронвольт — в небе. [27] Рентгеновское излучение образуется в виде фотонов с более низкой энергией в тонком внутреннем аккреционном диске, затем получает больше энергии посредством комптоновского рассеяния с очень высокотемпературными электронами в геометрически более толстой, но почти прозрачной короне, окутывающей его, а также посредством некоторого дальнейшего отражения от поверхности тонкого диска. [60] Альтернативная возможность заключается в том, что рентгеновское излучение может быть комптоновским рассеянием основанием струи вместо короны диска. [61]
Рентгеновское излучение от Cygnus X-1 может изменяться в несколько повторяющейся модели, называемой квазипериодическими колебаниями (QPO). Масса компактного объекта, по-видимому, определяет расстояние, на котором окружающая плазма начинает испускать эти QPO, причем радиус излучения уменьшается по мере уменьшения массы. Этот метод использовался для оценки массы Cygnus X-1, обеспечивая перекрестную проверку с другими выводами массы. [62]
Пульсации со стабильным периодом, подобные тем, что возникают в результате вращения нейтронной звезды, никогда не наблюдались у Cygnus X-1. [63] [64] Пульсации нейтронных звезд вызваны вращающимся магнитным полем нейтронной звезды, но теорема об отсутствии волос гарантирует, что магнитное поле черной дыры точно выровнено с ее осью вращения и, таким образом, является статичным. Например, рентгеновская двойная система V 0332+53 считалась возможной черной дырой, пока не были обнаружены пульсации. [65] Cygnus X-1 также никогда не демонстрировала рентгеновских всплесков, подобных тем, которые наблюдаются у нейтронных звезд. [66] Cygnus X-1 непредсказуемо переходит между двумя рентгеновскими состояниями, хотя рентгеновские лучи могут также непрерывно меняться между этими состояниями. В наиболее распространенном состоянии рентгеновские лучи «жесткие», что означает, что большая часть рентгеновских лучей имеет высокую энергию. В менее распространенном состоянии рентгеновские лучи «мягкие», при этом большая часть рентгеновских лучей имеет более низкую энергию. Мягкое состояние также показывает большую изменчивость. Считается, что жесткое состояние возникает в короне, окружающей внутреннюю часть более непрозрачного аккреционного диска. Мягкое состояние возникает, когда диск приближается к компактному объекту (возможно, настолько близко, насколько150 км ), сопровождающееся охлаждением или выбросом короны. Когда образуется новая корона, Cygnus X-1 переходит обратно в твердое состояние. [67]
Спектральный переход Cygnus X-1 можно объяснить с помощью двухкомпонентного решения адвективного потока, предложенного Чакрабарти и Титарчуком. [68] Жесткое состояние генерируется путем обратной комптонизации затравочных фотонов из кепларовского диска, а также синхротронных фотонов, производимых горячими электронами в пограничном слое, поддерживаемом центробежным давлением ( CENBOL ). [69]
Рентгеновский поток от Cygnus X-1 периодически меняется каждые 5,6 дня, особенно во время верхнего соединения , когда орбитальные объекты наиболее близко выровнены с Землей, а компактный источник находится дальше. Это указывает на то, что выбросы частично блокируются околозвездной материей, которая может быть звездным ветром от звезды HDE 226868. В выбросах наблюдается примерно 300-дневная периодичность, которая может быть вызвана прецессией аккреционного диска. [70]
Когда аккрецированная материя падает на компактный объект, она теряет гравитационную потенциальную энергию . Часть этой высвобождаемой энергии рассеивается струями частиц, выровненными перпендикулярно аккреционному диску, которые вытекают наружу с релятивистскими скоростями (то есть частицы движутся со значительной долей скорости света ). Эта пара струй обеспечивает возможность аккреционному диску сбрасывать избыточную энергию и угловой момент . Они могут быть созданы магнитными полями внутри газа, который окружает компактный объект. [71]
Струи Cygnus X-1 являются неэффективными излучателями и поэтому выделяют лишь небольшую часть своей энергии в электромагнитном спектре . То есть они кажутся «темными». Предполагаемый угол струй к лучу зрения составляет 30°, и они могут прецессировать . [67] Одна из струй сталкивается с относительно плотной частью межзвездной среды (ISM), образуя заряженное кольцо, которое можно обнаружить по ее радиоизлучению. Это столкновение, по-видимому, формирует туманность , которая наблюдалась в оптическом диапазоне длин волн . Чтобы создать эту туманность, струя должна иметь предполагаемую среднюю мощность 4–14 × 10 36 эрг /с , или(9 ± 5) × 10 29 Вт . [72] Это более чем в 1000 раз превышает мощность, излучаемую Солнцем. [73] Соответствующего кольца в противоположном направлении нет, поскольку эта струя обращена к области ISM с более низкой плотностью . [74]
В 2006 году Cygnus X-1 стала первой черной дырой звездной массы, у которой были обнаружены признаки гамма-излучения в диапазоне очень высоких энергий, выше100 ГэВ . Сигнал наблюдался одновременно со вспышкой жесткого рентгеновского излучения, что указывает на связь между событиями. Вспышка рентгеновского излучения могла возникнуть в основании струи, в то время как гамма-лучи могли возникнуть там, где струя взаимодействует со звездным ветром HDE 226868. [75]
HDE 226868 — сверхгигантская звезда со спектральным классом O9.7 Iab, [2] , которая находится на границе между звездами класса O и класса B. Она имеет предполагаемую температуру поверхности 31 000 К [9] и массу примерно в 20–40 раз больше массы Солнца . На основе модели звездной эволюции, на предполагаемом расстоянии 2000 парсеков эта звезда может иметь радиус, равный примерно 15–17 [46] солнечному радиусу , и иметь примерно в 300 000–400 000 раз большую светимость Солнца . [7] [76] Для сравнения, компактный объект, по оценкам, вращается вокруг HDE 226868 на расстоянии около 40 солнечных радиусов, или в два раза больше радиуса этой звезды. [77]
Поверхность HDE 226868 приливно искажается гравитацией массивного компаньона, образуя каплевидную форму, которая еще больше искажается вращением. Это приводит к тому, что оптическая яркость звезды меняется на 0,06 звездной величины в течение каждой 5,6-дневной двойной орбиты, при этом минимальная звездная величина достигается, когда система выровнена с лучом зрения. [ 78] «Эллипсоидальная» картина изменения света является результатом потемнения края и гравитационного потемнения поверхности звезды. [79]
Если сравнить спектр HDE 226868 со спектром похожей звезды Альнилам , то первая показывает избыток гелия и недостаток углерода в своей атмосфере. [80] Ультрафиолетовые и водородно-альфа спектральные линии HDE 226868 показывают профили, похожие на профили звезды P Лебедя , что указывает на то, что звезда окружена газообразной оболочкой , которая ускоряется от звезды со скоростью около 1500 км/с. [81] [82]
Как и другие звезды этого спектрального типа, HDE 226868, как полагают, теряет массу в звездном ветре с расчетной скоростью2,5 × 10−6 солнечных масс в год; или одна солнечная масса каждые 400 000 лет. [83] Гравитационное влияние компактного объекта, по-видимому, изменяет форму этого звездного ветра, создавая сфокусированную геометрию ветра, а не сферически симметричный ветер. [77] Рентгеновские лучи из области, окружающей компактный объект, нагревают и ионизируют этот звездный ветер. По мере того, как объект движется через различные области звездного ветра во время своей 5,6-дневной орбиты, ультрафиолетовые линии, [84] радиоизлучение, [85] и сами рентгеновские лучи изменяются. [86]
Полость Роша HDE 226868 определяет область пространства вокруг звезды, где вращающийся материал остается гравитационно связанным. Материал, который проходит за пределы этой доли, может падать в сторону вращающегося компаньона. Считается, что эта полость Роша находится близко к поверхности HDE 226868, но не переполняется, поэтому материал на поверхности звезды не сдирается ее компаньоном. Однако значительная часть звездного ветра, испускаемого звездой, втягивается в аккреционный диск компактного объекта после прохождения за пределы этой доли. [19]
Газ и пыль между Солнцем и HDE 226868 приводят к уменьшению видимой величины звезды, а также к покраснению оттенка — красный свет может более эффективно проникать сквозь пыль в межзвездной среде. Оценочное значение межзвездного поглощения ( AV ) составляет 3,3 величины . [87] Без промежуточного вещества HDE 226868 была бы звездой пятой величины, [88] и, таким образом, была бы видна невооруженным глазом. [ 89]
Cygnus X-1 был предметом пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном , в котором Хокинг сделал ставку против существования черных дыр в этом регионе. Позже Хокинг описал это как своего рода «страховой полис». В своей книге « Краткая история времени » он писал: [91]
Это было своего рода страховкой для меня. Я проделал много работы над черными дырами, и все это было бы напрасно, если бы оказалось, что черных дыр не существует. Но в этом случае я бы утешился выигрышем в пари, что принесло бы мне четыре года журнала Private Eye . Если черные дыры действительно существуют, Кип получит один год Penthouse . Когда мы делали пари в 1975 году, мы были на 80% уверены, что Cygnus X-1 — черная дыра. К настоящему времени [1988] я бы сказал, что мы уверены примерно на 95%, но пари еще не урегулировано.
Согласно обновленному изданию «Краткой истории времени» , посвященному десятилетию , Хокинг признал свою вину [92] из-за последующих наблюдательных данных в пользу черных дыр. В своей собственной книге « Черные дыры и искривления времени » Торн сообщает, что Хокинг признал свою вину, проникнув в офис Торна, когда тот был в России , найдя оформленную в рамку ставку и подписав ее. [93] Хотя Хокинг ссылался на то, что ставка состоялась в 1975 году, сама письменная ставка (написанная рукой Торна с его и Хокинга подписями) имеет дополнительные подписи свидетелей под легендой, гласящей «Засвидетельствовано в этот десятый день декабря 1974 года». [94] Эта дата была подтверждена Кипом Торном в эпизоде Nova на PBS от 10 января 2018 года . [95]
Cygnus X-1 является предметом двухчастной серии песен канадской прогрессивной рок- группы Rush . Первая часть, «Book I: The Voyage», является последней песней на альбоме 1977 года A Farewell to Kings . Вторая часть, «Book II: Hemispheres», является первой песней на следующем альбоме 1978 года Hemispheres . Текст песни описывает исследователя на борту космического корабля Rocinante , который путешествует к черной дыре, веря, что за ней может быть что-то. По мере того, как он приближается, становится все труднее управлять кораблём, и в конечном итоге его затягивает сила тяжести. [96]
В научно-фантастическом фильме Disney 1979 года «Черная дыра » научно-исследовательское судно под командованием доктора Ганса Рейнхардта, изучающее черную дыру, названо в честь Cygnus , предположительно (хотя это никогда не указывалось) названного в честь первой идентифицированной черной дыры, Cygnus X-1. [97]
Кип Торн: Стивен Хокинг был ужасно глубоко убежден в том, что это действительно черная дыра, и поэтому он сделал ставку против себя в качестве страхового полиса, чтобы, по крайней мере, получить хоть что-то от этого, если Cygnus X-1 не окажется черной дырой.
Лебедя находится в 25 угловых минутах к западу-юго-западу от этой звезды.
{{citation}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )