进入深渊：通过Natal kicks和中微子发射了解黑洞的形成

何一方88

艺术家对狼蛛星云中VFTS243的印象。来源：ESO/L.Cal?ada。eso.org/public/images/eso2210a/

据美国物理学家组织网（Tejasri Gururaj）：《物理评论快报》上的一项新研究探讨了垂死恒星形成黑洞的条件，特别是中微子诱导的Natal kicks在形成过程中的作用。

黑洞是宇宙中最神秘的物体之一，其引力如此之强，以至于光都无法逃脱。截至目前，根据我们所掌握的证据，黑洞是恒星的尸体，这意味着它们是在恒星死亡时诞生的。

然而，它们形成的确切机制仍然是个谜。这项新研究通过研究恒星质量喷射和中微子发射等过程来解决其中一些谜团，这些过程在黑洞形成中起着至关重要的作用。

Phys.org采访了第一作者Alejandro Vigna-Gómez博士，他是德国马克斯·普朗克天体物理研究所的博士后。

当被问及研究黑洞形成的动机时，他说：“在过去的十年里，我的工作围绕着双星和超新星物理学的交叉点展开。”

“随着黑洞天文学最近的突破，我的兴趣越来越大。近年来，我意识到重黑洞可以为恒星坍塌的过程提供重要的见解，从而产生它们。”

Natal kicks和中子星

当一颗比太阳大的恒星到达其生命的尽头时，它会导致一场极其明亮和剧烈的爆炸，称为超新星爆炸。这些爆炸是如此明亮，以至于它们可以短暂地超过整个星系的亮度，并释放出大量中微子，留下一颗中子星。

爆炸过程中喷出的恒星质量的速度为每秒数千公里，但并不总是均匀分布的。这种不对称性导致了爆炸残留物的大规模不对称性，这在中子星中已经观察到。

这种不对称喷出的质量会对中子星产生反冲，称为“Natal kicks”，使其在整个星系中高速移动。中子星曾出现纳塔尔踢现象，但黑洞没有。

黑洞是当一颗垂死的恒星坍塌而不是爆炸时形成的。因此，我们来到了研究人员提出的问题：Natal kicks是否也会在黑洞的形成中发挥作用？

黑洞双星

Vigna-Gómez博士说：“近年来，在我们的星系及其周围环境中发现了几种黑洞双星。它们通常是通过X射线发射探测到的，但只有少数是通过单线光谱（一种不同的方法）作为X射线静默双星探测到的。”。

这些双星系统不会发射大量的X射线，这可以指示双星系统中恒星的演化阶段。

研究人员选择了VFTS 243星系进行研究，因为它是这些双星中质量最大的黑洞之一。

这个双星系统由一个黑洞和一颗大质量恒星组成。研究人员想研究黑洞形成的条件，比如恒星质量的损失和与其形成相关的出生踢。

研究人员建立在最近对消失恒星的观测基础上，这些恒星在没有爆炸的情况下死亡并成为黑洞。此外，这些恒星质量的黑洞双星（这是官方术语）是惰性的，这意味着在黑洞形成后，恒星和黑洞之间几乎没有相互作用。

Natal kicks的制约因素

研究人员使用半分析方法来计算黑洞形成过程中的Natal kicks将导致观测到的系统配置的概率。

为了分析系统的形成，研究人员使用了各种约束条件，如轨道周期、离心率和系统径向速度。他们还对黑洞形成过程中的长期中微子不对称性进行了估计（假设这是由于完全坍塌而非爆炸造成的）。

Vigna-Gómez博士总结了这一发现，他说：“我们发现VFTS 243的黑洞是在没有爆炸的情况下形成的，如果有的话，中微子产生的冲击很低。这表明，当这个大质量的祖先坍塌成黑洞时，中微子在所有方向上的发射几乎相等。”

对于VFTS 243，研究人员将Natal kicks速度限制在小于或等于每秒10公里左右。他们发现，最有可能的情况是，大约0.3个太阳质量被喷出，可能是以中微子的形式喷出的，黑洞经历了大约每秒4公里的撞击。

未来工作

这些发现对其他黑洞的形成有启示，表明一些黑洞可以通过完全坍塌而形成，而不会爆炸。

此外，长期中微子发射优先是球对称的（在所有方向上都相等），这解释了双星系统缺乏强大的出生踢。

Vigna-Gómez博士补充道，“我们建立在黑洞相对于中子星的Natal kicks数减少的基础上的理论直觉似乎是正确的。”

“这项分析表明，VFTS 243可以用作模拟核心坍缩超新星的基准系统，即，对坍缩成大约10个太阳质量黑洞的恒星的模拟应该与我们为VFTS 243推断的小中微子不对称性和Natal kicks一致。”

为黑洞群体构建框架将是研究人员试图了解大质量恒星进化的下一步。