Fekete lyuk és röntgenforrás a Hattyú csillagképben From Wikipedia, the free encyclopedia
A Cygnus X-1 (rövidítve Cyg X-1)[7] egy jól ismert fekete lyuk és röntgenforrás[8] a Hattyú csillagképben.
Cygnus X-1 | |
![]() | |
A Hattyú csillagkép, benne a Cygnus X-1 helye piros körrel jelölve | |
Más jelölések | AG +35 1910, BD+34 3815, HD 226868, HIP 98298, SAO 69181, V1357 Cyg,[1] 1956+350[2] |
Megfigyelési adatok | |
Csillagkép | Hattyú csillagkép |
Epocha | J2000 |
Rektaszcenzió | 19h 58m 21.67595s[3] |
Deklináció | +35° 12′ 05.7783″[3] |
Távolság | 6070 fé |
Látszólagos fényesség | 8,95[1] (HD 226868) |
Abszolút fényesség | -6,5 (HD 226868) |
Színkép típusa | O9.7Iabpvar[4] |
Pályaadatok | |
Évi parallaxis | 0,539 mas |
Radiális sebesség | −13 km/s |
Sajátmozgás | |
rektaszcenzióban | −3,37 mas/év[3] |
deklinációban | −7,15 mas/év[3] |
Fizikai adatok | |
Sugár | 16,34-19,26[5] (HD 226868) R☉ |
Tömeg | 14,8 M☉ |
Színindex (B-V) | +0,81 (HD 226868) |
Színindex (U-B) | −0,30 (HD 226868) |
Hőmérséklet | |
Felszín | 31 000 (HD 226868) K |
Luminozitás | +105 L☉ |
Forgási adatok | |
Radiális forgási sebesség | 106 km/s[6] |
Rendszer | |
Társcsillagok | HDE 226868 |
1964-ben vált ismertté egy szuborbitális űrugrás során végzett mérések alapján, amit egy rakéta hajtott végre. A Cygnus X-1 az egyik legerősebb röntgenforrás, aminek legnagyobb áramlási sűrűsége 2,3×10−23 W/m2/Hz (ez 2,3×103 jansky).[9][10]
A Cygnus X-1 volt az első olyan röntgenforrás, amiről széles körben elfogadták, hogy fekete lyuk lehet. Ez az egyik legtöbbet tanulmányozott égi objektum ebben a kategóriában.
Az elfogadott tömege 14,8 naptömeg.[11] Túlságosan sűrű ahhoz, hogy közönséges csillag legyen. Eseményhorizontjának sugara kb. 26 km.[12]
A Cygnus X-1 egy nagy tömegű, gammasugárzó kettőscsillag egyik tagja, ami kb. 6070 fényévre van a Földtől. A kettőscsillag másik tagja a HDE 226868 jelű, kék, szuperóriás változócsillag, amely körül 0,2 CsE-re kering a Cygnus X-1. A fekete lyuk anyagot von el a társcsillagától, ezáltal egy akkréciós korong keletkezik.[13]
A korongban áramló anyag több millió fokra hevül és röntgensugárzást hoz létre.[14][15]
Relativisztikus jetek indulnak ki a korongra merőlegesen, amik a belehulló anyag energiájának egy részét elszállítják a környező űrbe.[16]
A csillag a tömegének nagy részét csillagszél formájában elveszíthette. Ha a csillag akkor fellángolt, mint egy szupernóva, a maradék anyag is kiáramlott a rendszerből. Majd a csillag összeomlott fekete lyukká.[17]
A Cygnus X-1 egy barátságos fogadás tárgya volt Stephen Hawking fizikus és Kip Thorne között 1974-ben, amikor Hawking arra fogadott, hogy a Cygnus X-1 nem fekete lyuk. Hawking a tévedését 1990-ben ismerte el, a megfigyelési adatok alapján.[18]
A röntgensugárzás megfigyelése lehetővé teszi a csillagászok számára a millió fokos gázok viselkedésének tanulmányozását. Mivel azonban a Föld légköre nem engedi át a röntgensugárzást, ezért az ilyen források megfigyelése csak a légkörön kívül lehetséges.[19][20] A Cygnus X-1 megfigyelésére első ízben egy rakéta szuborbitális repülése, egy ún. űrugrás során, véletlenül került sor; a rakétát a White Sands Rakétakísérleti Telepről, Új-Mexikóból bocsátották fel.
1964-ben két Aerobee rakétát bocsátottak fel, amik Geiger–Müller-számlálót vittek magukkal, amivel mérni tudták a röntgensugárzás mértékét. Ahogyan a rakéták forogtak, az egész égboltot végigpásztázták.[7] Nyolc új röntgenforrást fedeztek fel, ezek között volt a Cyg XR-1 (későbbi nevén: Cyg X-1) a Hattyú csillagképben.
Riccardo Giacconi és Herb Gursky 1963-ban azt javasolták, hogy műholddal kellene figyelni a röntgenforrásokat. A NASA 1970-ben felbocsátotta az Uhuru nevű űrszondát,[21] ami 300 új röntgenforrást fedezett fel.[22]
Az Uhuru megfigyelései szerint a Cygnus X-1 röntgensugárzásának erőssége másodpercenként többször ingadozik.[23] Ez a gyors változás azt jelenti, hogy az energia előállítása viszonylag kis térrészben, 105 km-en belül történik.
1971 áprilisa, májusa között Luc Braes és George K. Miley, a Leideni obszervatórium munkatársai, és tőlük függetlenül Robert M. Hjellming és Campbell Wade, a National Radio Astronomy Observatory munkatársai[24] rádióhullámok kibocsátását észlelték a Cygnus X-1-ből és a pontos helymeghatározás az AGK2 +35 1910 = HDE 226868 jelzésű csillagra mutatott.[25][26] Az égbolton ez a csillag nagyjából fél fok távolságra van a negyed fényrendű Eta Cygni-től.[27] Ez egy szuperóriás, de önmagában nem lenne képes a mért adatoknak megfelelő mennyiségű röntgensugárzást kibocsátani. Így kiderült, hogy ennek a csillagnak bizonyosan van egy kísérője, ami képes a környező gázt a röntgensugárzás előállításához szükséges millió fokokra hevíteni (ez a Cygnus X-1).
Louise Webster és Paul Murdin, a Greenwichi obszervatórium kutatói,[28] és tőlük függetlenül Charles Thomas Bolton (Torontói Egyetem, David Dunlap Observatory)[29] 1971-ben bejelentették, hogy felfedezték a HDE 226868 nagy tömegű, rejtőzködő társát. A csillag spektruma Doppler-eltolódásának megmérésével ki lehetett számítani a tömeget a pálya adataiból.[30] Az objektum kiszámított nagy tömege azt engedte sejteni, hogy fekete lyuk lehet, mivel neutroncsillagnak nem lehet a Napénál 3x nagyobb tömege.[31]
További megfigyelések 1973 végére megerősítették és a csillagászati közösség elfogadta, hogy a Cygnus X-1 nagy valószínűséggel egy fekete lyuk.[32][33]
A kompakt objektum és a kék szuperóriás csillag kettős rendszert alkot. Közös tömegközéppontjuk körül 5,5998 nap alatt keringést végeznek.[34] A Föld irányából nézve a kompakt objektum sohasem kerül a csillag mögé, más szóval nem kerül fedésbe. A keringési sík szögének értéke bizonytalan, 27°–65° közötti becslések vannak rá. A keringési pálya excentricitása mindössze 0,0018, vagyis szinte tökéletes körpályáról van szó.[11][35] A Földtől való távolság 6100 ± 390 fényév.[36]
A rendszer a 4° galaktikus szélesség, 71° galaktikus hosszúság koordinátákon található,[1] a Napnak is helyt adó Orion-kartól a Tejútrendszer középpontja felé,[37] ahol a spirálkar megközelíti a Carina- és Sagittarius-kart. A Cygnus X-1-et általában úgy jellemzik, mint ami a Sagittarius-karhoz tartozik,[38] bár hozzá kell tenni, hogy a Tejútrendszer térbeli struktúrája még nem eléggé ismert.
A kompakt objektum tömegének meghatározása sokáig bizonytalan volt, a becsült értékek a csillagfejlődésből kiszámolt 20±5 naptömegtől[39] a más technikákkal kapott 10 naptömegig terjedtek. A röntgensugárzás periódusának méréséből pontosabb érték adódott, a jelenleg elfogadott érték 14,8±1 naptömeg. Mindegyik esetben fekete lyukról van szó.[11][40] Az eseményhorizontot meghatározó Schwarzschild sugár 26 km.[41] Ezen a határon belülre kerülő anyag vagy fény nem tud többé távozni a térségből.[42]
Az eseményhorizont létét 1992-ben látványos mérésekkel sikerült igazolni, melynek során a Hubble űrtávcső nagysebességű fotométerének ultraibolya érzékelőivel felfénylő nyalábokat detektáltak, amik a fekete lyuk felé áramló anyag spirális mozgása során keletkeztek. A kisugárzás impulzusok sorozatából áll, amikre hatással van a gravitációs vöröseltolódás. Ennek következménye, hogy az objektumhoz közeledve a sugárzás hullámhossza egyre nő, ahogyan az általános relativitáselmélet előre jelzi. Ha a befelé hulló anyag szilárd felszínbe ütközne, egy végső energiakibocsátásnak kellene bekövetkeznie a becsapódáskor; az eseményhorizont esetén azonban nem. Itt két további felvillanás figyelhető meg, amik szintén a fekete lyuk létét erősítik meg.[43]
A Chandra űrtávcső mérései alapján úgy tűnt, mintha a Cygnus X-1 kompakt objektum nem forogna;[44][45] 2011-es mérések alapján azonban úgy tűnik, hogy extrém gyorsan forog, másodpercenként 790 fordulatot tesz.[46]
A legnagyobb csillag a Cygnus OB3 társulásban a Nap tömegének 40-szeresével rendelkezik. Minthogy a nagyobb tömegű csillagok életciklusa gyorsabb, ez azt jelenti, hogy a Cygnus X-1 őscsillaga is nagyjából ekkora tömeggel rendelkezett, vagyis kialakulása óta 30 naptömeget elveszített. Ennek az anyagmennyiségnek egy része minden bizonnyal társcsillagához, a HDE 226868 csillaghoz áramlott, míg a többi rész az erős csillagszél miatt kisodródott a világűrbe. A HDE 226868 héliumban gazdag külső atmoszférája is erre az anyagáthelyeződésre utal.[47] Az őscsillag Wolf–Rayet-csillaggá válhatott, aminek jellemzője, hogy atmoszférája anyagát a környező űrbe szórja.[17] Ha az ős-csillag szupernóvaként felrobbant volna, a megmaradó anyagmennyiség nagy sebességgel távozott volna a rendszerből (hasonló objektumok megfigyelése alapján). Mivel ez az objektum keringési pályán maradt, ez arra utal, hogy az őscsillag nagyobb robbanás nélkül összeomlott, és közvetlenül fekete lyukká alakult.[17]
Feltételezések szerint a kompakt objektum körül egy viszonylag vékony réteg, egy úgynevezett akkréciós korong kering, ami az objektum felé áramló anyagból áll. A korongot alkotó anyag felhevül a súrlódás miatt, amit az vált ki, hogy az objektumhoz közelebbi ionizált gáz gyorsabban kering a távolabbi részecskéknél. Ez a korongot nagyjából két részre osztja: a belső részt nagy ionizáltságú, forró plazma alkotja, és van egy hűvösebb, kevésbé ionizált külső réteg, ami becslések szerint a Schwarzschild-sugárnál 500-szor nagyobb távolságig terjed,[15] ez ebben a konkrét esetben mintegy 15 000 km.
Bár a Cygnus X-1 nagy mértékben változó módon viselkedik, ez a legnagyobb, kemény röntgensugárzást kibocsátó forrás, amik energiája 30 keV-tól több száz keV-ig terjed.[20]
A neutroncsillagokhoz hasonló, stabil periódus a Cygnus X-1 esetében nem figyelhető meg.[49][50]
A röntgensugárzás erőssége periodikusan változik, melynek ciklusideje 5,6 nap. Van egy nagyjából 300 napos periódus is, amit feltehetően az akkréciós korong precessziója okoz.[51]
Az akkréciós anyag a kompakt objektum felé zuhan, és eközben elveszíti gravitációs potenciális energiáját. A felszabaduló energia egy részét relativisztikus anyagsugarak szállítják el, amik anyagrészecskékből állnak. Ezek sebessége relativisztikus, irányuk merőleges az akkréciós korongra (vagyis a részecskék sebessége jelentősen megközelíti a fénysebességet). A folyamatot valószínűleg a kompakt objektumot körülvevő gáz mágneses terei hozzák létre.[52]
A Cygnus X-1 anyagsugarai nem elég hatékonyak az energia szállításában, ez csak kis hányadot képvisel az elektromágneses spektrumban. Ennek következtében ezek a sugarak a látható tartományban „sötétek”. Becslések szerint ezeknek az anyagsugaraknak a hajlásszöge a mi látóirányunkhoz 30°, és ez precesszálhat.[53]
Az egyik anyagsugár viszonylag sűrű csillagközi anyaggal ütközik, ami által egy gyűrűs alakzat jön létre, ami rádiósugárzást bocsát ki. Az ütközés csillagközi ködöt képez, ami a látható tartományban is észlelhető. A köd létrehozásához 9±5×1029 W teljesítmény szükséges.[54] Ez a Napunk által leadott teljesítmény több mint 1000-szeresének felel meg.[55] Az ellenkező irányban haladó anyagsugár nem kelt ilyen gyűrűt, mert ott a csillagközi anyag ritkább.[56]
2006-ban a Cygnus X-1 lett az első olyan fekete lyuk, ami bizonyítottan gamma-sugárzást bocsát ki a 100 GeV fölötti nagy energiájú tartományban.[57]
A HDE 226868 egy szuperóriás, színképosztálya O9.7 Iab,[1] ami az O és a B osztályú csillagok közé sorolja be. Becsült felszíni hőmérséklete 31 000 K,[58] tömege 20–40-szeres naptömeg. A csillagok fejlődési modellje, és a mintegy 2000 parszekes távolság alapján a csillag sugara a Napénak 15-17-szerese,[11] luminozitása pedig 300 000–400 000-szorosa.[39][59] Összehasonlításképpen a kompakt objektum a HDE 226868-tól mindössze 40 Nap-sugárnyi távolságban kering.[60]
A HDE 226868 felszíne a nagyobb tömegű kísérő által kifejtett árapályerők által erősen torzított, könnycsepp alakú, amit a tengely körüli forgás még tovább alakít. Ez a látható fényben 0,06 mértékű fényességváltozást okoz 5,6 nap alatt.[61]
Ha a HDE 226868 színképét összehasonlítjuk a hasonló Alnilam (Epsilon Orionis) csillaggal, az előbbi légkörében több a hélium és kevesebb a szén.[62]
A HDE 226868 ultraviola és hidrogén-alfa spektrális vonalai hasonlóságot mutatnak a P Cygni csillagéval, és arra utalnak, hogy a csillagot egy gázfelhő veszi körül, ami 1500 km/s sebességgel távolodik tőle.[63][64]
Mint más, hasonló spektrális jellemzőkkel bíró objektumok, a HDE 226868 is csillagszél formájában veszít a tömegéből, éves szinten 2,5×10−6 naptömegnyit.[65] Másként kifejezve ez egy naptömegnyi anyag elvesztését jelenti 400 000 év alatt. A kompakt objektum gravitációs hatása miatt a csillagszél áramlásának alakja nem szabályos henger.[60] A kompakt objektumot körülvevő térség röntgensugárzása felhevíti és ionizálja a csillagszelet. Amint a csillagszél különböző tulajdonságú térrészeken halad át a mintegy 5,6 napos útja során, az UV-vonalak,[66] a rádiósugárzás[67] és a röntgensugárzás jellemzői megváltoznak.[68]
„ | A fekete lyuk tűnik a megfigyelések egyetlen igazán természetes magyarázatának. Ennek ellenére fogadást kötöttem Kip Thorne-nal a California Institute of Technology-ról, hogy a Cygnus X-1 valójában nem is tartalmaz fekete lyukat! Ezt afféle baleset-biztosításnak tekintem. Rengeteg munkát fektettem a fekete lyukakba, s ez mind kárba vész, ha kiderül, hogy mégse léteznek fekete lyukak. Így legalább meglesz az a vigaszom, hogy megnyerek egy fogadást: négy évi előfizetést a Private Eye (Magándetektív) című folyóiratra. Ha viszont a fekete lyukak mégis léteznek, Kip egyévi Penthouse előfizetést nyer tőlem. 1975-ben, amikor megkötöttük a fogadást, 80 százalékot adtunk annak a lehetőségnek, hogy a Cygnus – fekete lyuk. Ma már [1987] 95 százalékot adnék neki, de a fogadás még eldöntetlen.[69] (fordító: Molnár István) | ” |
– Stephen Hawking: Az idő rövid története, 1988-as magyar kiadás |
A HDE 226868 Roche-térfogata meghatároz egy térséget a csillag körül, ahol a körülötte keringő anyag gravitációsan kötött. Ezen a térségen belülre kerülő anyag a kísérő felé fog mozogni.[13]
A Napunk és a HDE 226868 között található csillagközi por és gáz hatására a látszó fényesség kisebbnek és vörösebbnek látszik. A becsült fényesség-csökkenés (AV) 3,3 magnitúdó.[70] A csökkenés nélkül a HDE 226868 5-ös magnitúdójú,[71] szabad szemmel is látható csillag lenne.[72]
A Cygnus X-1 volt a tárgya Stephen Hawking angol fizikus és Kip Thorne amerikai fizikus (Caltech) fogadásának, amiben Hawking arra fogadott, hogy nincsen fekete lyuk a térségben, Thorne pedig arra, hogy van. (Hawking ekkorra már hosszú ideje foglalkozott a fekete lyukak fizikájával).
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.