X 射线双星与恒星级黑洞

李向东2013-11-15

关键科学问题• 银河系有多少黑洞？• 它们的质量分布如何？• 它们是如何形成和演化的？• 球状星团中普遍存在黑洞吗？

银河系内的恒星级黑洞 • 在银河系中已观测到～ 20 个位于 X 射线

双星中的恒星级黑洞，并测量了它们的动力学质量现有的观测表明存在 3~4.3Msun 的黑洞缺失 (Ozel et al. 2010; Farr et al. 2011)

黑洞 X 射线双星的形成• 理论上黑洞大质量 X 射线双星与中子星大

质量 X 射线双星的形成率是相当的，大约10-6 -10-5 年 -1(Posiadlowski, Rappaport & Han 2003)

黑洞大质量 X 射线双星• 银河系内已知的中子星大质量 X 射线双星

数目超过 50 个，但黑洞大质量 X 射线双星只有 1 个 ( 即 Cyg X-1, Liu et al. 2000)

• 这表明大量的黑洞双星可能是以暂现源而不是持续源的方式存在的

大质量 X 射线双星暂现源• 传统上，大质量 X 射线双星中的暂现源主

要是 Be/X 射线双星 • 迄今发现的 Be/X 射线双星中的致密星都是

中子星，没有观测到 Be/ 黑洞 X 射线双星

大质量 X 射线双星暂现源• 超巨星 X 射线快变暂现源（ SFXT ）：在

绝大部分时间内处于光度 ~1032-1034 尔格秒 -1 的低态，偶尔会产生光度高达 1036-1037 尔格秒 -1 的爆发，持续时间通常为几天

大质量 X 射线双星暂现源• SFXT 在银河系中的数目可能与正常的大质量 X

射线双星相当甚至更多• 对几个 SFXT 的 X 射线观测已经测量到脉冲辐

射，但黑洞作为吸积天体的证据至今尚未发现

黑洞小质量 X 射线双星• 也称为软 X 射线暂现源• 伴星通常是一颗小质量主序

星或红巨星• 通常处于长时间（几年到几

十年）的宁静态，偶尔有软X 射线的爆发（持续时间为几十天到几个月）

• 在发生爆发时 X 射线光度在几天内快速升高 100-1000 倍，然后以几十天的时标逐渐衰减到原来的水平

黑洞小质量 X 射线双星• 理论预计的黑洞小质量 X 射线双星的形成

率 ~10-9-10-7 年 -1 ，由此得到的银河系内黑洞小质量 X 射线双星的数目从 ~<1-100

• 由观测到黑洞小质量 X 射线双星推测其总数目可能为 ~1000-2000 (Romani 1998)

• 显然，建立完备的黑洞双星样本对理解它们的形成过程，特别是前身星的质量分布和演化是至关重要的

黑洞小质量 X 射线双星• 绝大部分黑洞双星位于银盘上• 但观测表明存在一些位于高银纬的黑洞小质量 X

射线双星 (Zurita et al. 2008; Kennea et al. 2011; Yamaoka et al. 2012)Swift J1753.5-0127, MAXI J1659-152, MAXI J1659-152

• 黑洞形成时经历了不对称的超新星爆发，因而具有了一定的踢出 (kick) 速度

• 黑洞 X 射线双星的空间分布将为研究黑洞的形成机制提供了关键的信息

球状星团中的黑洞• 一个典型的球状星团

内的大质量恒星在几百万年内可以演化形成成百上千个黑洞

• 通过与星团中其他恒星的引力相互作用，这些黑洞会快速沉降到星团核心

球状星团中的黑洞• 早期的数值计算表明，在致密星团的核心

黑洞与周围恒星的相互作用会导致几乎所有的黑洞都在很短的时间内被抛出星团 (Kulkarni et al. 1993; Sigurdsson & Hernquist 1993)

• 最近的研究表明至少对中等密度的星团，部分黑洞仍可能留在星团内，并俘获一颗正常恒星形成小质量 X 射线双星 (Morscher et al. 2013； Sippel & Hurley 2013 )

球状星团中的黑洞• Maccarone et

al. (2007) 在球状星团 NGC4472中发现了一颗超亮的 X 射线源很可能就是一个正在吸积的黑洞

球状星团中的黑洞• Strader et al. (2012) 在球状星团 M22 中

发现了两个平谱射电源，认为它们是恒星级黑洞，并估计该星团可能包含~5-100 个黑洞

球状星团中的黑洞• 显然，对球状星团的长期监测，搜寻与证认其中的黑洞 X 射线源将对这个问题给出决定性的答案