天文新闻_天文科研进展_科研项目年度进展报告

星系 ESO 243-49 的哈勃图像,其中小圆圈标记了 HLX-1 的位置。

图片来源:NASA、ESA 和 S. Farrell(悉尼大学和莱斯特大学)

观测表明黑洞有两个极端质量。 一种是由大质量恒星死亡塌陷形成的,称为恒星黑洞,质量为太阳质量的几倍到几十倍; 另一种位于星系中心。 超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百万到数十亿倍。 这两个极端质量之间的黑洞,即所谓的中等质量黑洞,其质量约为太阳质量的一百到十万倍。 这种黑洞的存在仍然没有得到解决,它的存在对于超大质量黑洞如何形成具有重要意义。 天文学家几十年来一直在寻找,许多天体被认为是中等质量黑洞的候选者,但仍然没有足够的证据证明这一点。 超亮X射线源就是这样的候选天体之一,最亮的超亮X射线源ESO 243-49 HLX-1是此类最有可能的候选天体。 近日,上海天文台余文飞研究员带领的科研团队对该源身份之谜进行了进一步研究。 他们分析了X射线卫星斯威夫特2009年至2015年6次HLX-1爆发的监测数据,并与银河系进行了比较。 恒星内黑洞的X射线双星的比较说明了它们是中等质量黑洞的可能性。 “谜团尚未解开,但我们正在路上。” 该工作发表在国际天文学核心期刊《天体物理学杂志》上。

1. HLX-1的高X射线光度:HLX-1是中等质量黑洞的最强候选者

HLX-1 是由当时图卢兹大学肖恩·法雷尔 (Sean Farrell) 领导的研究小组于 2009 年根据欧洲航天局 (ESA) XMM-牛顿 X 射线望远镜的数据发现的。 HLX-1是目前已知最明亮的超亮X射线源。 如此高的 X 射线光度(~1 x 1042erg s?1, 0.2-10.0 keV)很难由位于星系 ESO 243-49 边缘的恒星质量黑洞产生(见小圆圈标记)上图中),绝对不是星系中心的超大质量黑洞,这使得HLX-1成为中等质量黑洞的最强候选者。

如果HLX-1包含一个中等质量黑洞,那么关于它的形成和演化有很多猜测。 其中一种理论认为它起源于星系的碰撞和合并。 之前的一些工作推测HLX-1本身位于一个矮星系的中心,然后这个星系与大星系ESO 243-49相撞并合并。 矮星系中的恒星被大星系吞噬,导致中心黑洞——HLX-1——暴露出来。 2012年,肖恩·法雷尔利用哈勃太空望远镜观测到HLX-1附近可能存在大量年轻的蓝色恒星。 这一观察证据暗示了上述观点的可能性。

2. HLX-1 的 X 射线爆发

监测进入休眠状态的HLX-1。 这种爆炸性质引起了许多天文学家的研究兴趣。 因为它的爆炸与银河系中大多数已知的恒星黑洞X射线双星系统非常相似,并且它们的爆炸一般被认为来自吸积盘的不稳定性,而它们爆炸的时间尺度是由粘性决定的。时间尺度。

此前的工作通过计算发现,如果HLX-1含有中等质量黑洞,其粘性时标大约为数百年量级,而观测到的爆发仅为数百天量级。 这一矛盾导致人们推断,它的X射线爆发不能简单地用吸积盘模型中的不稳定性来解释。 其他工作提出了一种解释,其中一颗恒星以非常椭圆的轨道绕黑洞运行,当它接近黑洞时,物质被黑洞吸积,引起爆炸。 随着爆发次数的增加,人们发现它们的间隔不是周期性的,因此这个模型被拒绝了。 HLX-1爆发的原因仍然是个谜。

3. 上海天文台探索HLX-1本质的最新工作

上海天文台于文飞研究员带领的科研团队分析了X射线卫星雨燕号2009年至2015年6次HLX-1爆发的监测数据。 “我们的研究定量证实了HLX-1的一些爆发特性(如上升时间尺度、下降时间尺度、持续时间尺度、释放的总能量等)随着时间的推移有演化趋势,而且我们发现随着时间的推移,HLX-1在爆发期间的时间越来越短,而在休眠期间的时间越来越长,这一发现可能有助于揭示其爆发的起源。”

他们根据前期对银河系恒星黑洞X射线双星系统研究的结果,将其与HLX-1的爆炸特性进行了定量比较。 “我们进一步证实,HLX-1在爆发期间的爆发轮廓、时间尺度和X射线光谱的演化与银河系中大多数已知的恒星黑洞X射线双星系统非常相似;在每个爆发期间,爆发后,HLX -1 也经历了类似于恒星黑洞 X 射线双星的 X 射线光谱演化。” 文章第一作者、上海天文台副研究员严震表示:“我们还发现了其状态转变的光度和爆发上升时间。亮度变化率与爆发峰值光度之间的关系与我们在银河系恒星黑洞X射线双星系统中发现的近似线性关系一致。”

此前的工作还发现,HLX-1的能谱状态转变过程中,也伴随着间歇性喷流。 这些相似之处表明HLX-1可能是黑洞X射线双星系统的放大版本,只不过它的黑洞不是恒星,而是质量是太阳的数千倍。 但定量比较表明,其爆炸时的各种特征时间尺度也与恒星级黑洞的质量有关。 这就造成了一个无法解释的矛盾。 一方面,爆炸的各种时间尺度表明HLX-1吸积盘的大小应该与恒星黑洞处于同一数量级,而另一方面,其超高的X射线光度则表明HLX-1吸积盘的大小应该与恒星黑洞处于同一数量级。还表明其吸积率和黑洞质量(与吸积盘大小有关)比银河系中的恒星黑洞高出约三个数量级。 这一矛盾进一步凸显了HLX-1作为中等质量黑洞候选者的特殊性质。

科学论文链接:

科学联系方式:

严震,上海天文台,zyan@shao.ac.cn

余文飞,上海天文台 wenfei@shao.ac.cn

毛东明,上海天文台,dmmao@shao.ac.cn

媒体联系人:

左雯雯,上海天文台,wenwenzuo@shao.ac.cn,34775125

作者 admin