为什么神秘天体天鹅座X

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一位艺术家对X射线双星系统天鹅座X-3中致密天体周围吸积盘的印象，显示了在被IXPE探测到之前，X射线从漏斗形空腔内部散射出去。（图片来源：Alexander Mushtukov）

据美国生活科学网站（Keith Cooper）：一个包含一颗大质量恒星和一个可能是黑洞的双星系统，它们共同构成了强X射线的来源，已被证明是宇宙中一些最明亮的类星体的一个较小规模的例子。

这一新发现来自一个使用美国国家航空航天局成像X射线偏振探测器航天器（IXPE）的国际团队，描述了位于银河系约24000光年外的X射线双星系统如何在围绕可能的黑洞的漏斗形空腔中放大其X射线发射。

这个名为天鹅座X-3的系统是在20世纪70年代初被发现的，当时射电望远镜发现了以接近光速辐射出的强大喷流。这些喷气式飞机的无线电发射持续几天，然后关闭，后来又重新打开。

喷气式飞机的起源在当时是神秘的。该系统被描述为一个“天文难题”，因为我们甚至无法在可见光中看到天鹅座X-3；它被银河系平面上厚厚的尘埃挡住了。在20世纪70年代，世界各地天文台的射电天文学家通过电话进行协调，试图通过打开或关闭来捕捉天鹅座X-3。

多年来，天文学家通过对无线电、红外和X射线波长的进一步观测，发现天鹅座X-3是一个X射线双星系统，涉及物质在大质量恒星和围绕共同重心运行的致密物体之间的转移。这个致密的物体要么是中子星，要么更有可能是质量大约是太阳质量五倍的黑洞。这颗大质量恒星是Wolf-Rayet星，这是超巨星经历的一个罕见阶段，它们会辐射出强大的恒星风，开始将大块的外层提升到太空中。正是这颗Wolf-Rayet恒星在风中吹出的物质为围绕致密物体旋转的吸积盘提供了食物。

然而，天鹅座X-3的光度令人难以置信。物质在像黑洞这样的致密物体上的流动是由一种被称为爱丁顿极限的性质控制的。如果吸积速率足够高，吸积盘就会变成一个僵局——物质最终会堆积起来，吸积盘中变得致密而热，以至于大量的辐射会阻碍新鲜物质的流入。通过这种方式，黑洞可以调节自己的生长，一些物质会在无线电发射的喷流中喷出。

然而，一些最明亮的类星体——中心有极其活跃的超大质量黑洞的星系——似乎打破了爱丁顿极限，因为它们的光度极高，但似乎仍在吸积物质。天鹅座X-3似乎属于这一类，尽管规模较小。

现在，芬兰图尔库大学的Alexandra Veledina领导的一个团队使用IXPE测量了来自天鹅座X-3的X射线的偏振度。他们发现，偏振量足够高，只能通过X射线从吸积盘中心的漏斗形空腔内部散射来解释。

Veledina在一份声明中说：“我们发现，这个致密的物体被一层致密不透明的物质包围。”。“我们观察到的光是周围气体形成的漏斗内壁的反射，就像一个内部有镜子的杯子。”



神秘的双星系统天鹅座X-3，如美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的X射线光（白色）和史密森尼亚毫米阵列的无线电数据（红色和蓝色）所示。（图片来源：X射线：NASA/CXC/SAO/M.McCollough等人，无线电：ASIAA/SAO/SMA）

漏斗形空腔抬高的不透明外壳是类星体的典型特征，被称为“ULX”——超亮X射线源。由于X射线从漏斗腔内部散射而产生的放大规模也类似于ULX。

图尔库大学的研究小组成员Juri Poutanen说：“ULX通常在遥远星系的图像中被视为发光点，其发射被致密物体周围漏斗的聚焦效应放大，其作用类似于扩音器。”。“然而，由于距离这些光源很远……在X射线望远镜看来，它们相对较弱。”

因此，事实证明，了解类星体中的ULX很困难，但天文学家现在可以使用距离更近的天鹅座X-3作为模型，更好地了解那些遥远的ULX。

Poutanen说：“我们的发现现在揭示了这些遥远的ULX在我们银河系中的明亮对应物。”。

天鹅座X-3的爆发是间歇性的，这要归功于Wolf-Rayet恒星围绕这个紧凑物体的椭圆轨道，这意味着有时它更近，风中更多的物质落在可能的黑洞上。IXPE能够看到，当天鹅座X-3处于ULX阶段时——当注入材料的量最大时——极化度达到24.9%，但当系统不太活跃时，极化率降至10.4%。这表明漏斗的结构会随着吸积量的增加或减少而变化。Veledina的团队预测，如果吸积率下降得太低，漏斗可能会完全坍塌，只有当吸积再次回升时才能重建。

该团队现在正计划进行进一步的观测，试图捕捉这种坍塌的发生，这将通过偏振降至几乎为零来发出信号，这表明X射线发射直接来自吸积盘表面的热气，而不是通过漏斗内的散射来间接发出。

这一发现于6月21日发表在《自然天文学》杂志上。