天鵝座X-1

天鵝座X-1

天鵝座X-1是最早被認為是黑洞的天體之一。它於1965年被發現,是個很強的X射線源。該黑洞從鄰近軌道運行的藍色超級巨恆星中吸取氣體,它向內螺鏇式釋放著巨大熱量,噴射出高能量X射線和伽馬射線。天鵝座X-1(Cygnus X-1,縮寫為Cyg X-1),是一個位於天鵝座方向的X射線源,是人類發現的第一個黑洞候選天體。天鵝座X-1是一顆高質量X射線雙星,其主星是一顆超巨星,光譜型為B0,伴星名為HDE 226868,是一顆8.9等的變星。在環境許可的情況下,使用小型雙筒望遠鏡可看見天鵝座X-1。根據曆元1950的資料,該天體位於赤經19 h 56.5 min,赤緯35 deg 4 min。天鵝座X-1是個雙星系統,由一光譜型O9-BO的超巨星及一顆緻密星組成。超巨星的質量約為20-40倍太陽質量,緻密星則具有太陽的8.7倍質量。由於中子星的最大質量不多於3倍太陽質量,因此該顆緻密星普遍被認為是黑洞。X射線由雙星系統內的吸積盤產生,在吸積盤內發生康普頓散射,再被反射向外。天鵝座X-1是天空中持續最久的強力X射線源。距離地球約6000光年。

發現

天鵝X-1中的黑洞吞噬著藍超巨星的物質天鵝X-1中的黑洞吞噬著藍超巨星的物質

在1964年的一次火箭發射任務中,美籍天文學家RiccardoGiacconi本想檢測月球的X射線輻射量,卻意外地發現了天空中出現神秘的X射線源,方向位於銀河系的中心附近。後經證實:這個X射線源來自天鵝座,是一個由藍超巨星(HDE226868)和一個緻密星構成的雙星系統,這個緻密星已經被確認為大約為8.7倍太陽質量的黑洞。這不僅是人類發現第一個來自遙遠深空(除了太陽)的X射線源,也是迄今從地球上所監測到的最強X射線源之一。

質量

天鵝座X-1天鵝座X-1

經Hipparcos衛星的精確測量,天鵝座X-1(CygX-1)距離地球大約6000光年,其質量大約是太陽的10倍,直徑約60公里(18英里),位於天鵝星座。

通過動力學模型以及相對論模型,科學家還測量了黑洞吸積盤的內緣半徑。對於這些研究結果,天鵝X-1雙星系統的研究小組認為:由黑洞質量、軌道傾角以及距離帶來的觀測和模型參數的不確定性問題都將被充分考慮,而由於徑流主導吸積盤的薄盤模型(吸積率低於愛丁頓光度)所帶來的局限性,在諸如低光度天體(低態X射線雙星)即天鵝X-1的具體套用上還需要進一步研究。

特性

光譜分類O9.7Iab[1]
B-V色指數+0.81[2]
U-B色指數-0.30[2]

觀測資料

曆元 J2000

星座天鵝座

赤經19h 58m 21.6756s

赤緯+35° 12′ 05.775″

視星等 (V) 8.95

天體測定

徑向速度 (Rv) -13 km/s

自行 (μ) RA: -3.82 mas/yr

Dec.: -7.62 mas/yr

視差 (π) 0.58 ± 1.01 mas

距離 approx. 6000 ly

(approx. 2000 pc)發現與觀測 通過對X射線源的觀測,天文學家能研究涉及到幾百萬度熾熱氣體的天文現象。但由於X射線被地球的大氣層遮擋了,因此對X射線源的觀測不能在地表進行,而需要將儀器運送到有足夠X射線能穿透的高度。發現天鵝座X-1的儀器是從新墨西哥州白沙飛彈靶場由火箭發射到彈道軌道。1964年時正進行一項觀測,目的是找出這些X射線源。兩個空蜂火箭(Aerobee)彈道火箭運載著蓋革計數器升空,測量天空中8.4°範圍內波長從1至15Å的X射線源。這項觀測發現了8個新的X射線源,包括天鵝座的Cyg XR-1(後名Cyg X-1)。其天球坐標估計為赤經19h53m、赤緯34.6°。該X射線源處並沒有明顯的無線電或可見光源。由於需要更長時間的觀測研究,1963年裡卡爾多·賈科尼和赫伯特·格斯基提出了首個研究X射線源的軌道衛星。美國國家航空航天局於1970年發射了烏呼魯衛星,進而發現了300個新X射線源。它對天鵝座X-1的長期觀測發現其X光強度有波動,頻率為每秒數次。如此快速的變動顯示,能量一定在很小的範圍內產生,大小約為105公里,因為光速的限制使訊息不可能在更遠的範圍里相互傳遞。作為對比,太陽的直徑約為1.4×106公里。1971年四月至五月,萊登天文台的Luc Braes和George Miley與美國國家射電天文台的Robert M. Hjellming和Campbell Wade獨立探測到來自天鵝座X-1的無線電射線,射線源的準確位置指向AGK2 +35 1910 = HDE 226868。 天球上,這顆星與視星等為4級的天鵝座η相距半度。它是一顆超巨星,本身並不能發射所觀測到的X射線。因此,此星必定有一顆能夠將氣體加熱到幾百萬度的伴星,才可放射在天鵝座X-1觀測到的輻射

其他命名

BD+34 3815, HD 226868, SAO 69181, HIP 98298, V1357 Cyg.

偏振光線

當光線自由地穿過時空,它將以任何方向出現偏振。然而,出現偏振的光線意味著光線在特定的狀況下僅以一個方向震動,例如:光線從表面散射或者穿過物質。研究人員使用歐洲宇航局天體物理實驗室(Integral)衛星的Ibis望遠鏡,對天鵝座X-1黑洞進行了7年觀測。他們集中精力分析該黑洞冕環產生的光線,天鵝座X-1黑洞的冕環是一個微小的區域,直徑不足800公里。

之前的研究顯示,黑洞冕環電漿釋放的X射線加熱至1.2億攝氏度,但是天體物理實驗室衛星從未知來源探測的光線也可達如此高溫。法國原子和替代能源委員會天文學家菲利普-勞倫特(PhilippeLaurent)稱,這項研究首次顯示未知高能量噴射出現強烈的偏振,這暗示著它可能產生於同步加速器輻射,這是強烈磁場接近黑洞表面的跡象。他強調指出,從理論上,人們會認為該區域會存在一個磁場,但目前這是首次掌握到觀測證據。

雙星系統

天鵝座X-1中的緻密星和藍超巨星組成一個雙星系統,以5.599829±0.000016天的周期繞質心公轉。從對天鵝X-1的研究過程中,準確計算出這個雙星系統中X射線源的位置是十分重要的,這個結果將直接導致人類空間觀測史上的第一個黑洞被確認。科學家通過甚長基線陣列測量技術,利用三角視差法將距離值確定在1.86(-0.11,+0.12)千秒差距(kpc),1秒差距約等於3.2光年。而天鵝X-1發出的X射線通量有著明顯的周期性特徵,大約在5.6天就進行一個周期變化,這也證明了當超藍巨星運行到黑洞後面時,兩者之間作用產生的X射線受到前者產生的恆星風阻擋,出現較低的值。

通過進一步的研究,科學家還確定了這個雙星系統是進行順時針鏇轉。利用耦合距離和都卜勒效應模擬出天鵝X-1雙星系統的三維運動模型。接著對地球以及天鵝X-1圍繞銀河系的相對速度進行修正後,發現其運行速度只有大約21km/s,這表明在這顆藍超巨星與黑洞形成雙星系統時並沒有出現劇烈的反衝效應。

藍超巨星

藍超巨星為HDE226868,是一顆8.9等的變星,在環境許可的情況下,使用雙筒望遠鏡可看得見。根據曆元1950的資料,該天體位於赤經19h56.5min,赤緯35deg4min。

由於星際塵埃的阻擋且紅光能穿透星際塵埃,在地球上觀測超藍巨星HDE226868顯得更紅一些。這顆藍超巨星圍繞著一個看不見的巨大天體進行鏇轉,兩者間的距離大約是地球與太陽之間距離的五分之一,也就是0.2個天文單位。科學家推測:藍超巨星產生的恆星風不僅盤踞的黑洞的吸積盤上,也籠罩著其產生的X射線源。同時也意識到,在黑洞吸積的過程中,將產生急速的噴流進入宇宙空間,這些噴流可能夾雜著從藍超巨星上撕扯下來的物質,所探測到的強烈X射線源就是由吸積過程中過熱的物質發出。

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