Лебедь X-1 (сокращенно Cyg X-1 ) [11] — галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя и первый такой источник, широко признанный черной дырой . [12] [13] Он был обнаружен в 1965 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. По нынешним оценкам, компактный объект имеет массу, примерно в 21,2 раза превышающую массу Солнца [5] [6] , и было показано, что он слишком мал, чтобы быть каким-либо известным типом нормальной звезды или другим вероятным объектом, кроме черной дыры. [16] Если это так, то радиус его горизонта событий имеет300 км «как верхняя граница линейного размера области источника» случайных рентгеновских всплесков длительностью всего около 1 мс. [17]
Лебедь X-1 принадлежит к массивной рентгеновской двойной системе, расположенной на расстоянии около 2,22 килопарсека от Солнца , [ 18] которая включает в себя синий сверхгигант , переменную звезду , обозначенную HDE 226868 , [19] , 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. [20] Материя во внутреннем диске нагревается до миллионов градусов, генерируя наблюдаемое рентгеновское излучение. [21] [22] Пара релятивистских струй , расположенных перпендикулярно диску, уносит часть энергии падающего материала в межзвездное пространство. [23]
Эта система может принадлежать звездной ассоциации под названием Лебедь OB3, а это означает, что Лебедь Х-1 имеет возраст около 5 миллионов лет и образовался из звезды-прародителя, у которой было более40 солнечных масс . Большая часть массы звезды была потеряна, скорее всего, в результате звездного ветра. Если бы эта звезда затем взорвалась как сверхновая , возникшая сила, скорее всего, выбросила бы остатки из системы. Следовательно, вместо этого звезда могла коллапсировать прямо в черную дыру. [10]
Лебедь X-1 был предметом дружеского научного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном в 1975 году, в котором Хокинг, сделав ставку на то, что это не черная дыра, надеялся проиграть. [24] Хокинг признал это пари в 1990 году после того, как данные наблюдений подтвердили предположение о том, что в системе действительно существует черная дыра . По состоянию на 2004 год [обновлять]эта гипотеза не имела прямых эмпирических доказательств, но была общепринятой на основе косвенных данных. [25]
Наблюдение рентгеновского излучения позволяет астрономам изучать небесные явления с участием газа с температурой в миллионы градусов. Однако, поскольку рентгеновское излучение блокируется атмосферой Земли , наблюдение небесных источников рентгеновского излучения невозможно без подъема инструментов на высоту, куда могут проникнуть рентгеновские лучи. [26] [27] Лебедь X-1 был обнаружен с помощью рентгеновских приборов , которые были подняты на воздух зондирующей ракетой, запущенной с ракетного полигона Уайт-Сэндс в Нью-Мексико . В рамках продолжающихся усилий по картированию этих источников в 1964 году было проведено исследование с использованием двух суборбитальных ракет Aerobee . Ракеты несли счетчики Гейгера для измерения рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 1–15 Å на участке неба под углом 8,4°. Эти инструменты скользили по небу по мере вращения ракет, создавая карту близко расположенных сканирований. [11]
В результате этих исследований было обнаружено восемь новых источников космического рентгеновского излучения, в том числе Cyg XR-1 (позже 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 с каким-либо особенно заметным радио- или оптическим источником в этом месте. [11]
Видя необходимость более длительных исследований, в 1963 году Риккардо Джаккони и Херб Гурски предложили первый орбитальный спутник для изучения источников рентгеновского излучения. НАСА запустило свой спутник Ухуру в 1970 году [28] , что привело к открытию 300 новых источников рентгеновского излучения. [29] Расширенные наблюдения Ухуру за Лебедем X-1 показали колебания интенсивности рентгеновского излучения, которые происходят несколько раз в секунду. [30] Столь быстрое изменение означало, что генерация рентгеновского излучения должна происходить в компактной области размером не более ~10 5 км (приблизительно 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. Хьельминг и Кэмпбелл Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории [ 32] обнаружили радиоизлучение Лебедя X-1 и определили их точное радиоположение. определил источник рентгеновского излучения на звезде AGK2 +35 1910 = HDE 226868. [33] [34] На небесной сфере эта звезда находится примерно в полградуса от звезды 4 -й величины Эта Лебедя . [35] Это звезда-сверхгигант, которая сама по себе не способна излучать наблюдаемое количество 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 Мердин из Королевской Гринвичской обсерватории [ 36] и Чарльз Томас Болтон , работающий независимо в обсерватории Дэвида Данлэпа Университета Торонто , [ 37] объявили об открытии массивного скрытого компаньона HDE 226868 в 1972 году. Измерения доплеровского сдвига спектра звезды продемонстрировали наличие спутника и позволили оценить его массу по параметрам орбиты. [38] Основываясь на высокой предсказанной массе объекта, они предположили, что это может быть черная дыра , поскольку самая большая возможная нейтронная звезда не может превышать массу Солнца в три раза . [39]
Поскольку дальнейшие наблюдения подтвердили доказательства, к концу 1973 года астрономическое сообщество в целом признало, что Лебедь X-1, скорее всего, был черной дырой. [40] [41] Более точные измерения Лебедя X-1 продемонстрировали изменчивость до одной миллисекунды . Этот интервал соответствует турбулентности в диске аккрецированной материи, окружающем черную дыру, — аккреционном диске . Рентгеновские всплески, длящиеся около трети секунды, соответствуют ожидаемому временному интервалу падения материи в сторону черной дыры. [42]
С тех пор Лебедь X-1 широко изучался с использованием наблюдений с помощью орбитальных и наземных инструментов. [2] Сходство между выбросами рентгеновских двойных систем, таких как HDE 226868/Cygnus X-1, и активных ядер галактик предполагает общий механизм генерации энергии с участием черной дыры, орбитального аккреционного диска и связанных с ним джетов . [43] По этой причине Лебедь X-1 отнесен к классу объектов, называемых микроквазарами ; аналог квазаров , или квазизвездных радиоисточников, ныне известных 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 звезда-сверхгигант 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 затмевает . Однако наклон орбитальной плоскости к лучу зрения с Земли остается неопределенным: прогнозы варьируются 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 равен только0,018 ± 0,002 , что означает почти круговую орбиту. [46] [47] Расстояние от Земли до этой системы рассчитано по тригонометрическому параллаксу как 1860 ± 120 парсеков (6070 ± 390 световых лет ), [48] и 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, Лебедь X-1 и эта OB-ассоциация могли образоваться в одно и то же время и в одном и том же месте. Если да, то возраст системы примерно5 ± 1,5 миллиона лет . Движение HDE 226868 относительно Лебедя OB3 равно9 ± 3 км/с — типичное значение для случайного движения внутри звездной ассоциации. HDE 226868 составляет около60 парсеков от центра ассоциации и могли бы достичь этого разделения примерно за7 ± 2 млн лет , что примерно соответствует предполагаемому возрасту ассоциации. [10]
При галактической широте 4° и галактической долготе 71° [2] эта система лежит внутрь вдоль того же отрога Ориона , в котором Солнце расположено внутри Млечного Пути , [50] недалеко от того места, где отрог приближается к Рукаву Стрельца . Лебедь X-1 описывается как принадлежащий Рукаву Стрельца [51] , хотя структура Млечного Пути точно не установлена.
Согласно различным методам, масса компактного объекта оказывается больше максимальной массы нейтронной звезды . Звездные эволюционные модели предполагают массу20 ± 5 солнечных масс [7] , в то время как другие методы дали 10 солнечных масс. Измерение периодичности рентгеновского излучения вблизи объекта позволило получить более точное значение14,8 ± 1 массы Солнца . Во всех случаях объектом, скорее всего, является черная дыра [46] [52] — область 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 Лебедя Х-1. Все (включая материю и фотоны ), которое проходит через эту границу, не может покинуть ее. [53] Новые измерения, опубликованные в 2021 году, позволили оценить массу21,2 ± 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 попадают в черную дыру, их излучение излучается 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, столкнувшаяся с твердым компактным объектом, испустит последний всплеск энергии, тогда как материал, проходящий через горизонт событий, этого не сделает. Были обнаружены две такие «последовательности умирающих импульсов», что согласуется с существованием черной дыры. [54]
Вращение компактного объекта еще точно не определено. Прошлый анализ данных космической рентгеновской обсерватории «Чандра» показал, что Лебедь X-1 не вращался в сколько-нибудь существенной степени. [55] [56] Однако данные, объявленные в 2011 году, позволяют предположить, что он вращается чрезвычайно быстро, примерно 790 раз в секунду. [57]
Самая крупная звезда ассоциации Лебедя OB3 имеет массу, в 40 раз превышающую массу Солнца. Поскольку более массивные звезды развиваются быстрее, это означает, что звезда-прародитель Лебедя X-1 имела массу более 40 солнечных. Учитывая текущую предполагаемую массу черной дыры, звезда-прародитель, должно быть, потеряла более 30 солнечных масс материала. Часть этой массы могла быть потеряна HDE 226868, а остальная часть, скорее всего, была выброшена сильным звездным ветром. Обогащение гелием внешней атмосферы HDE 226868 может быть свидетельством этого массопереноса. [58] Возможно, прародительница эволюционировала в звезду Вольфа-Райе , которая выбрасывает значительную часть своей атмосферы с помощью именно такого мощного звездного ветра. [10]
Если бы звезда-прародительница взорвалась как сверхновая , то наблюдения подобных объектов показывают, что остаток, скорее всего, был бы выброшен из системы с относительно высокой скоростью. 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). [10]
Считается, что вокруг компактного объекта вращается тонкий плоский диск аккреционного вещества, известный как аккреционный диск . Этот диск сильно нагревается за счет трения 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, простирающуюся примерно в 500 раз больше радиуса Шварцшильда [22] или около 15 000 км.
Несмотря на то, что Лебедь X-1 сильно и беспорядочно меняется, он, как правило, является самым ярким постоянным источником жесткого рентгеновского излучения с энергией от 30 до нескольких сотен килоэлектронвольт в небе. [27] Рентгеновские лучи производятся в виде фотонов с более низкой энергией в тонком внутреннем аккреционном диске, а затем получают больше энергии за счет комптоновского рассеяния с очень высокотемпературными электронами в геометрически более толстой, но почти прозрачной короне , окружающей его, а также за счет некоторое дальнейшее отражение от поверхности тонкого диска. [60] Альтернативная возможность состоит в том, что рентгеновские лучи могут рассеиваться по Комптону основанием струи, а не дисковой короной. [61]
Рентгеновское излучение Лебедя X-1 может меняться по несколько повторяющейся схеме, называемой квазипериодическими колебаниями (QPO). Масса компактного объекта, по-видимому, определяет расстояние, на котором окружающая плазма начинает излучать эти QPO, причем радиус излучения уменьшается по мере уменьшения массы. Этот метод использовался для оценки массы Лебедя X-1, обеспечивая перекрестную проверку с другими значениями массы. [62]
Пульсации со стабильным периодом, подобные тем, которые возникают при вращении нейтронной звезды, никогда не наблюдались у Лебедя Х-1. [63] [64] Пульсации нейтронных звезд вызваны вращающимся магнитным полем нейтронной звезды, но теорема об отсутствии волос гарантирует, что магнитное поле черной дыры точно совпадает с ее осью вращения и, следовательно, является статическим. Например, рентгеновская двойная система V 0332+53 считалась возможной черной дырой, пока не были обнаружены пульсации. [65] Лебедь X-1 также никогда не демонстрировал рентгеновские вспышки, подобные тем, которые наблюдаются у нейтронных звезд. [66] Лебедь X-1 непредсказуемо переключается между двумя рентгеновскими состояниями, хотя рентгеновские лучи также могут непрерывно меняться между этими состояниями. В наиболее распространенном состоянии рентгеновские лучи являются «жесткими», что означает, что большая часть рентгеновских лучей имеет высокую энергию. В менее распространенном состоянии рентгеновские лучи являются «мягкими», причем большая часть рентгеновских лучей имеет более низкую энергию. Мягкое состояние также демонстрирует большую изменчивость. Считается, что твердое состояние возникает в короне, окружающей внутреннюю часть более непрозрачного аккреционного диска. Мягкое состояние возникает, когда диск приближается к компактному объекту (возможно, настолько близко, насколько это возможно).150 км ), сопровождающееся охлаждением или выбросом короны. Когда генерируется новая корона, Лебедь X-1 возвращается в жесткое состояние. [67]
Спектральный переход Лебедя X-1 можно объяснить с помощью решения двухкомпонентного адвективного потока, предложенного Чакрабарти и Титарчуком. [68] Жесткое состояние генерируется в результате обратной комптонизации затравочных фотонов из Кепларианского диска, а также синхротронных фотонов, производимых горячими электронами в пограничном слое, поддерживаемом центробежным давлением ( CENBOL ). [69]
Поток рентгеновского излучения от Лебедя X-1 периодически меняется каждые 5,6 дней, 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 околозвездным веществом, которым может быть звездный ветер от звезды HDE 226868. В выбросах наблюдается примерно 300-дневная периодичность, которая может быть вызвана прецессией аккреционного диска. [70]
Когда сросшаяся материя падает на компактный объект, она теряет гравитационную потенциальную энергию . Часть этой высвободившейся энергии рассеивается струями частиц, ориентированными перпендикулярно аккреционному диску, которые текут наружу с релятивистскими скоростями (то есть частицы движутся со значительной долей скорости света ). Эта пара струй позволяет аккреционному диску терять избыточную энергию и угловой момент . Они могут быть созданы магнитными полями внутри газа, окружающего компактный объект. [71]
Реактивные двигатели 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 (МЗС), образуя заряженное кольцо, которое можно обнаружить по его радиоизлучению. Это столкновение, по-видимому, образует туманность , которая наблюдалась в оптических длинах волн . Чтобы образовать эту туманность, струя должна иметь среднюю мощность 4–414 × 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 с более низкой плотностью МЗС . [74]
В 2006 году Лебедь X-1 стал первой черной дырой звездной массы, у которой были обнаружены доказательства гамма- излучения в диапазоне очень высоких энергий, выше100 ГэВ . Сигнал наблюдался одновременно со вспышкой жесткого рентгеновского излучения, что указывает на связь между событиями. Рентгеновская вспышка могла возникнуть у основания джета, а гамма-лучи могли возникнуть там, где джет взаимодействует со звездным ветром HDE 226868. [75]
HDE 226868 — звезда-сверхгигант со спектральным классом O9.7 Iab [2] , который находится на границе между звездами класса O и класса B. Его оценочная температура поверхности составляет 31 000 К [9] и масса примерно в 20–40 раз больше массы Солнца . На основе модели звездной эволюции на предполагаемом расстоянии в 2000 парсек эта звезда может иметь радиус, равный примерно в 15–17 [46] раз радиусу Солнца , и примерно в 300 000–400 000 раз превосходить светимость Солнца . [7] [76] Для сравнения: по оценкам, компактный объект вращается вокруг HDE 226868 на расстоянии около 40 солнечных радиусов, что в два раза превышает радиус этой звезды. [77]
Поверхность HDE 226868 искажается под действием гравитации массивного спутника, 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 яркость наблюдается, когда система выровнена по лучу зрения. [78] «Эллипсоидальный» характер изменения блеска возникает в результате потемнения к краю и гравитационного потемнения поверхности звезды. [79]
Когда спектр HDE 226868 сравнивается со спектром аналогичной звезды Альнилам , первая показывает переизбыток гелия и недостаток углерода в ее атмосфере. [80] Ультрафиолетовые и альфа-водородные спектральные линии HDE 226868 имеют профили , подобные профилю звезды P Лебедя , что указывает на то, что звезда окружена газовой оболочкой, которая ускоряется от звезды со скоростью около 1500 км/с. . [81] [82]
Считается, что, как и другие звезды этого спектрального класса, HDE 226868 теряет массу в звездном ветре с предполагаемой 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 разные области звездного ветра в течение своей 5,6-дневной орбиты, УФ-линии, [84] радиоизлучение, [85] и сами рентгеновские лучи меняются. [86]
Полость Роша HDE 226868 определяет область пространства вокруг звезды, где вращающийся по орбите материал остается гравитационно связанным. Материал, который проходит за пределы этой доли, может упасть в сторону спутника, вращающегося по орбите. Считается, что эта полость Роша находится близко к поверхности HDE 226868, но не выходит за ее пределы, поэтому материал с поверхности звезды не удаляется ее спутником. Однако значительная часть звездного ветра, излучаемого звездой, притягивается к аккреционному диску компактного объекта после прохождения за пределы этой доли. [20]
Газ и пыль между Солнцем и HDE 226868 приводят к уменьшению видимой величины звезды, а также к покраснению ее оттенка — красный свет может более эффективно проникать через пыль в межзвездной среде. Оценочная величина межзвездного поглощения ( AV ) составляет 3,3 звездной величины . [87] Без промежуточного вещества HDE 226868 была бы звездой пятой величины, [88] и поэтому видна невооруженным глазом. [89]
Лебедь X-1 был предметом пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном , в котором Хокинг делал ставку против существования черных дыр в этом регионе. Позже Хокинг назвал это своего рода «страховым полисом». В своей книге «Краткая история времени» он писал: [91]
Для меня это была своего рода страховка. Я проделал большую работу по черным дырам, и все они были бы потрачены впустую, если бы оказалось, что черных дыр не существует. Но в этом случае меня утешит выигрыш пари, который принесет мне четыре года работы в журнале Private Eye . Если черные дыры действительно существуют, Кип получит один год пентхауса . Когда мы сделали ставку в 1975 году, мы были на 80% уверены, что Лебедь Х-1 — это черная дыра. К настоящему моменту [1988 г.] я бы сказал, что мы уверены примерно на 95%, но пари еще не решено.
Согласно обновленному выпуску « Краткой истории времени», посвященному десятой годовщине , Хокинг признал пари [92] благодаря последующим данным наблюдений в пользу черных дыр. В своей книге « Черные дыры и искажения времени» Торн сообщает, что Хокинг признал пари, ворвавшись в офис Торна, когда тот был в России , нашел подставное пари и подписал его. [93] Хотя Хокинг упомянул, что пари имело место в 1975 году, само письменное пари (написанное рукой Торна, с его подписями и подписями Хокинга) содержит дополнительные подписи свидетелей под надписью: «Засвидетельствовано в этот десятый день декабря 1974 года». [94] Эту дату подтвердил Кип Торн в эпизоде Nova на канале PBS от 10 января 2018 года . [95]
Cygnus X-1 является предметом двухчастной песни канадской прогрессив -рок- группы Rush . Первая часть, «Book I: The Voyage», — последняя песня с альбома 1977 года A Farewell to Kings . Вторая часть, «Book II: Hemispheres», является первой песней со следующего альбома 1978 года Hemispheres . В текстах описывается исследователь на борту космического корабля «Росинант» , который путешествует к черной дыре, полагая, что за ее пределами может быть что-то. По мере того, как он приближается, управлять кораблем становится все труднее, и в конце концов его затягивает сила тяжести. [96]
В научно-фантастическом фильме Диснея 1979 года «Чёрная дыра» научно-исследовательский корабль, которым руководил доктор Ганс Рейнхардт для изучения чёрной дыры, названной в названии фильма, — это «Лебедь» , предположительно (хотя никогда не упоминавшийся как таковой) названный в честь первого идентифицированная черная дыра Лебедь Х-1. [97]
Кип Торн: Стивен Хокинг очень серьезно вложился в то, что на самом деле это черная дыра, и поэтому он сделал ставку против себя в качестве страхового полиса, так что, по крайней мере, он что-то от этого получит, если Лебедь Х-1 окажется недействительным. быть черной дырой.
находится в 25 угловых минутах к западу-юго-западу от этой звезды.
{{citation}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )