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有史以来发现的两颗质量最大的接触恒星最终将碰撞为黑洞

2023-04-28 19:29:06 来源: 用户:尤涛永 

根据伦敦大学学院(UCL)和波茨坦大学的研究人员的一项新研究,邻近星系中的两颗巨大的接触恒星正在成为黑洞,最终将碰撞在一起,在时空结构中产生波。

这项研究被接受发表在《天文学与天体物理学》杂志上,研究了一颗已知的双星(两颗围绕共同重心运行的恒星),分析了从一系列地面和太空望远镜获得的星光。

研究人员发现,这些恒星位于邻近的矮星系小麦哲伦星云中,彼此部分接触并交换物质,其中一颗恒星目前正在“喂食”另一颗恒星。它们每三天相互绕行一次,是迄今为止观测到的最大质量的接触恒星(称为接触双星)。

将他们的观测结果与双星演化的理论模型进行比较,他们发现,在最佳拟合模型中,目前被喂食的恒星将成为黑洞,并将以伴星为食。幸存的恒星不久后将成为一个黑洞。

这些黑洞将在几百万年内形成,但随后将相互绕行数十亿年,然后与如此强大的力量碰撞,以至于它们将产生引力波 - 时空结构中的涟漪 - 理论上可以用地球上的仪器探测到。

该研究的第一作者,博士生Matthew Rickard(UCL物理与天文学)说:“由于引力波探测器Virgo和LIGO,在过去几年中已经检测到数十次黑洞合并。但到目前为止,我们还没有观察到预测会坍缩成这种大小的黑洞的恒星,并在比宇宙年龄更短甚至大致相当的时间尺度上合并。

“我们最合适的模型表明,这些恒星将在18亿年后合并为黑洞。在这条离银河系如此近的演化路径上发现恒星,为我们提供了一个绝佳的机会,更多地了解这些黑洞双星是如何形成的。

共同作者,波茨坦大学的博士生Daniel Pauli说:“这颗双星是迄今为止观察到的最大质量接触双星。这颗更小,更亮,更热的恒星,质量是太阳的32倍,目前正在失去它更大的伴星的质量,它的质量是我们太阳的55倍。

天文学家今天看到的合并黑洞形成于数十亿年前,当时宇宙中的铁和其他较重元素含量较低。随着宇宙的老化,这些重元素的比例增加了,这使得黑洞合并的可能性降低。这是因为重元素比例较高的恒星风更强,它们会更快地将自己吹散。

经过充分研究的小麦哲伦星云距离地球约210万光年,自然界的丰度约为我们银河系铁和其他重金属丰度的七分之一。在这方面,它模仿了宇宙遥远过去的条件。但与更古老、更遥远的星系不同,它足够接近天文学家测量单个和双星的性质。

在他们的研究中,研究人员测量了来自双星的不同波段(光谱分析),使用美国宇航局哈勃太空望远镜(HST)和ESO在智利甚大望远镜上的多单元光谱探测器(MUSE)上的仪器在多个时间段内获得的数据,以及其他望远镜,波长范围从紫外线到光学到近红外。

有了这些数据,研究小组能够计算恒星的径向速度 - 即它们朝向我们或远离我们的运动 - 以及它们的质量,亮度,温度和轨道。然后,他们将这些参数与最合适的进化模型相匹配。

他们的光谱分析表明,这颗较小恒星的大部分外层已经被其较大的伴星剥离了。他们还观察到两颗恒星的半径都超过了它们的洛希瓣 - 即恒星周围的区域,物质与该恒星的引力结合 - 证实一些较小恒星的物质溢出并转移到伴星。

在谈到恒星的未来演化时,瑞卡德解释说:“较小的恒星将在短短700万年内首先变成黑洞,要么通过称为超新星的壮观爆炸,要么它可能如此之大,以至于坍缩成一个没有向外爆炸的黑洞。

“在第一个黑洞开始从它的伴星身上吸积质量之前,它们将成为不安的邻居大约三百万年,对它的伴星进行报复。

进行建模工作的泡利补充说:“仅仅200万年后,从天文学角度来看,伴星也将坍缩成黑洞。这两颗巨大的恒星将继续相互绕行,每隔几天就绕一圈又一圈,持续数十亿年。

“慢慢地,它们会通过引力波的发射失去这种轨道能量,直到它们每隔几秒钟相互绕行一次,最终在18亿年内合并在一起,通过引力波释放出巨大的能量。

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