新發(fā)現(xiàn)的天體挑戰(zhàn)恒星生成黑洞最小質(zhì)量的極限

新發(fā)現(xiàn)的神秘天體可能是有史以來最輕的黑洞

“揭示這個伴星的真正性質(zhì)將是我們理解中子星、黑洞以及可能潛伏在黑洞質(zhì)量間隙差距中任何其他東西的一個轉(zhuǎn)折點。”

黑洞（左）和中子星表面爆發(fā)磁場（右）的插圖（圖源：宇航局戈達德太空飛行中心威辛格，航天局/蓋亞/DPAC）

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了位于銀河系的一個神秘天體，其質(zhì)量遠大于最重的中子星，但比最小的黑洞還輕。

這個神秘天體可以幫助科學(xué)家更好的確定中子星和黑洞的分界線，兩者都是大質(zhì)量恒星死亡時誕生的。

“團隊負責(zé)人、曼徹斯特大學(xué)天體物理學(xué)教授本·斯塔普斯在一篇文章中提到：“伴星任何一種可能具備的性質(zhì)都令人興奮?！泵}沖星-黑洞系統(tǒng)將是檢測引力理論的一個重要應(yīng)用，而重中子星將為超高密度的核物理學(xué)提供新的研究方向?！?/p>

該天體是由位于南非北角的64個天線組成的MeerKAT射電天文望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。這些致密的恒星殘骸正圍繞著一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星或“毫秒脈沖星”運行，該脈沖星位于大約4萬光年之外的銀河系中一個被稱為“球狀星團”的致密恒星團中。

雖然一個有兩顆中子星的系統(tǒng)已經(jīng)很吸引人了，但如果其中一個神秘的天體是一個黑洞，這將使該系統(tǒng)成為一個更令人難以置信的射電脈沖星-黑洞雙星系統(tǒng)。由于脈沖星的高周期性爆發(fā)性質(zhì)，它可以被用作定時器測試黑洞強烈引力的影響，這樣一個系統(tǒng)可能是測試愛因斯坦1915年引力理論（即廣義相對論）極限的關(guān)鍵。

這顆被稱為PSR J0514-4002E的脈沖星，是MeerKAT在橫掃地球時發(fā)出的微弱無線電波脈沖中被發(fā)現(xiàn)的。

隨著中子星像宇宙燈塔一樣以每秒170轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，其高度規(guī)則的脈沖微小的變化使研究人員得以確認PSR J0514-4002E是一個具備超密軌道的天體，這意味著它只能是一顆大質(zhì)量恒星坍縮的殘余。

研究小組發(fā)現(xiàn)，脈沖星和這個神秘物體之間的距離為500萬英里（800萬公里），大約是地球和太陽之間距離的0.05倍，每7個地球日相互環(huán)繞一次。

PSR J0514-4002E軌道中天體的質(zhì)量比任何已知的中子星都要多，但比任何已知的黑洞都要少，使它落在黑洞的質(zhì)量差距中。

黑洞和中子星：發(fā)現(xiàn)差異

中子星和黑洞都是大質(zhì)量恒星核聚變?nèi)剂先急M時誕生的，此時恒星已無法再承受自己引力造成的內(nèi)部壓力。當這顆垂死的恒星外層在超新星爆炸中被吹走時，恒星的核心就會向內(nèi)坍縮。

在質(zhì)量尺度很低時，恒星核心的崩潰止于具備量子屬性的中子，此時它會變成一個中子星，恒星殘骸質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的1到2倍，寬度約為地球上的12英里（20公里）。

然而，在超過一定質(zhì)量時，維持中子間距的量子壓力被克服，會導(dǎo)致原子核完全坍塌成為一個黑洞。一個中子星的伴星如果可以竊取物質(zhì)來增加它自己的質(zhì)量，那它也可以超過這個極限坍縮成一個黑洞。

天文學(xué)家認為，如果一個恒星的核心在失去其外層和絕大部分質(zhì)量后，其質(zhì)量仍然超過太陽質(zhì)量的2.2倍，那么它的重量就足以產(chǎn)生一個黑洞。

問題是，我們所見過的最輕的黑洞其質(zhì)量仍然是太陽的5倍左右。在5個太陽質(zhì)量和2.2個太陽質(zhì)量之間的黑洞被稱為“黑洞質(zhì)量差距”，這讓人對中子星的2.2個太陽質(zhì)量極限產(chǎn)生了質(zhì)疑。

這種系統(tǒng)的黑洞示意圖（圖片來源：丹妮爾·福塞拉）

縮小了的黑洞質(zhì)量差距

斯塔普斯和他的同事們在使用MeerKat研究位于哥倫布星座南部的球狀星團NGC 1851時發(fā)現(xiàn)了這個天體，它可能是解開這個謎團和縮小的黑洞質(zhì)量差距的關(guān)鍵。

該研究小組認為，可能是兩顆中子星之間的碰撞讓他們探測到了這顆圍繞脈沖星PSR J0514-4002E運行的神秘物體。

團隊還不能確定PSR J0514-4002E的同伴是中子星、一個黑洞、還是迄今為止尚未知的超密宇宙天體，但他們知道這個系統(tǒng)可以成為一個獨特的宇宙實驗室用以研究極端條件下天體的物理行為。

杜塔總結(jié)道：“我們還沒有研究完這個系統(tǒng)，揭示這個伴星的真實性質(zhì)將是我們理解中子星、黑洞以及黑洞質(zhì)量差距中可能潛伏的任何其他天體的一個轉(zhuǎn)折點?！?/p>

BY:Robert Lea

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