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日本领导的XRISM (x射线成像和光谱学任务)天文台已经捕获了天鹅座X-3内部流动气体的最详细的肖像,天鹅座X-3是x射线天空中研究最多的来源之一。
天鹅座X-3是一颗罕见的高质量恒星与一颗紧凑的伴星(可能是黑洞)配对的双星。
天鹅座X-3是一个大质量双星
包括一个致密的物体(可能是一个黑洞)和一颗炽热的沃尔夫-拉叶星。这位艺术家的作品
概念显示了系统的一种解释。高分辨率x射线光谱学显示出两种气体成分:一种是从大质量恒星发出的沉重的背景流出物或风,另一种是位于轨道伴星附近的湍流结构——可能是风中雕刻的尾迹。如图所示,黑洞的引力将一些风捕获到它周围的吸积盘上,而吸积盘的轨道运动在流动的气体中雕刻出一条路径(黄色弧形)。在强烈爆发时,伴星会发射出接近光速的粒子流,从图中可以看到,这些粒子流延伸到黑洞的上方和下方。美国宇航局戈达德太空飞行中心
“这颗大质量恒星的性质是天鹅座X-3如此吸引人的一个因素,”马里兰州大学帕克分校和美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的博士后拉尔夫·巴尔豪森说。“这是一颗沃尔夫-拉叶星,这种类型的恒星已经进化到一种被称为恒星风的强烈流出物,它会从恒星表面剥离气体并将其向外驱动。这个致密的物体扫过并加热了一些气体,使其发射出x射线。”
由巴尔豪森领导的一篇描述这一发现的论文将出现在《天体物理学杂志》的未来版本上。
“对于XRISM来说,天鹅座X-3是一个‘金发姑娘’目标——它的亮度在XRISM特别敏感的能量范围内‘刚刚好’,”NASA戈达德的天体物理学家、合著者蒂莫西·卡尔曼说。“这个不寻常的来源已经被每一颗x射线卫星研究过,所以观察它是新的x射线任务的一种仪式。”
XRISM(发音为“危机”)由JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)与NASA合作领导,并得到ESA(欧洲航天局)的贡献。NASA和JAXA开发了该任务的微热量计光谱仪,名为Resolve。
三月底,“决心”号对天鹅座X-3进行了18个小时的观测,获得了高分辨率的光谱,使天文学家能够更好地了解那里复杂的气体动力学。这包括由一颗炙热的大质量恒星产生的流出气体,它与致密伴星的相互作用,以及一个湍流区域,可能代表伴星在绕着流出气体运行时产生的尾迹。
XRISM的Resolve仪器已经捕获了天鹅座X-3最详细的x射线光谱。峰表示io发射的x射线
氮化气体和谷形成于
e气体吸收x射线;由于气体的运动,许多谱线也转移到更高或更低的能量。上图:完整的Resolve光谱,从2到8 keV(千电子伏特),追踪x射线,其能量是可见光的数千倍。有些线被标记为产生它们的元素的名称,如硫、氩和钙,以及指这些原子失去的电子数的罗马数字。下图:对光谱区域的放大,通常由铁原子最内层电子壳层(K壳层)的跃迁所产生的特征所主导。当原子与高能x射线或电子相互作用时,这些特征就形成了,并通过发射能量在6.4到7 keV之间的光子来响应。XRISM的Resolve仪器首次清晰地显示了这些细节,这将有助于天文学
科学家们对这个不寻常的系统有了更深入的了解。JAXA / NASA / XRISM协作
在天鹅座X-3中,恒星和致密天体非常接近,它们在4.8小时内完成了一个轨道。这对双星被认为位于大约32000光年外的北方星座天鹅座方向。
虽然我们星系中央厚厚的尘埃云遮挡了来自天鹅座X-3的可见光,但这对双星已经在无线电、红外线、伽马射线以及x射线中进行了研究。
该系统沉浸在恒星的流动气体中,被来自紧密伴星的x射线照射和电离。气体既发射又吸收x射线,光谱中许多突出的波峰和波谷都包含了这两个方面。然而,一个简单的理解光谱的尝试是失败的,因为一些特征似乎在错误的地方。
这是因为由于多普勒效应,气体的快速运动取代了它们在实验室中正常能量的这些特征。吸收谷通常会转移到更高的能量,表明气体以高达93万英里/小时(150万公里/小时)的速度向我们移动。排放峰值下降到较低的能量,表明气体以较慢的速度远离我们。
一些光谱特征显示出比发射峰更强的吸收谷。研究小组得出结论,造成这种不平衡的原因是,恒星风的动力学使移动的气体能够吸收伴星发出的更大范围的x射线能量。XRISM光谱的细节,特别是在电离铁原子产生的高能量丰富的特征下,使科学家能够解开这些效应。
“获得这些细节的关键是XRISM在几个轨道上监控系统的能力,”美国宇航局戈达德任务的项目科学家布莱恩威廉姆斯说。“在这个光谱中还有更多的东西需要探索,最终我们希望它能帮助我们确定天鹅座X-3的紧凑物体是否确实是一个黑洞。”
XRISM是JAXA和NASA之间的合作任务,ESA也参与其中。美国国家航空航天局的贡献包括加拿大航天局的科学参与。
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