2.2 吸积过程:伴星的“死亡捐赠”
伴星的物质(主要是氢和氦)被黑洞的潮汐力拉长,形成一条“吸积流”,最终落入黑洞周围的吸积盘。吸积盘是一个由气体和尘埃组成的盘状结构,温度从内到外逐渐降低(内核~10?K,外层~10?K)。
吸积盘的吸积率约为10??M☉/年(即每1000万年吞噬0.01倍太阳质量的物质)。这些物质在落入黑洞前,会释放出巨大的能量:
- 内核的高温产生X射线(占SS 433总辐射的50%以上);
- 外层的冷却产生光学和红外辐射;
- 吸积盘的旋转产生射电辐射。
2.3 黑洞的自转轴与轨道平面的夹角
SS 433的黑洞自转轴与双星轨道平面存在约20度的夹角——这是喷流形成“螺旋结构”的关键。如果自转轴与轨道平面平行,喷流会沿固定方向喷射;而20度的夹角,让喷流方向随轨道周期旋转,形成螺旋轨迹。
三、喷流的奇迹:26%光速的螺旋“宇宙丝带”
SS 433的喷流,是它最震撼的特征——速度达26%光速,长度超10万天文单位,结构呈螺旋状。这不是普通的“恒星风”,而是相对论性喷流的“微型版本”。
3.1 喷流的速度:26%光速的“相对论性束流”
通过观测喷流中“结”(Knots,喷流中的不稳定性结构)的多普勒位移,天文学家计算出喷流的视向速度约为7.8万公里/秒(0.26c)。更关键的是,喷流的真实速度可能更高——由于相对论性束流效应(Beaming Effect),喷流的光集中在运动方向的小角度内,导致我们观测到的速度是“投影速度”。
3.2 喷流的结构:螺旋状的“宇宙纤维”
SS 433的喷流不是笔直的,而是螺旋形的,螺距约0.1光年(约6×1013米)。这种结构通过以下观测证实:
- 射电干涉仪(VLBI):分辨率达0.001角秒,能看到喷流中的“纤维结构”,每个纤维的直径约101?厘米(相当于地球到太阳距离的1/1000),沿着螺旋轨迹延伸;
- 光学光谱:喷流中的“结”呈现蓝移(向地球运动)和红移(远离地球)交替的分布,对应螺旋结构的旋转;
- X射线(Chandra卫星):喷流中的热点(温度~10?K)沿螺旋轨迹分布,说明喷流物质在高速运动中与星际介质碰撞,产生激波加热。
3.3 喷流的成分:等离子体与磁场
SS 433的喷流主要由电离等离子体(氢、氦的离子和电子)组成,同时包含强磁场(约100高斯,比地球磁场强10?倍)。磁场的作用至关重要:
- 准直喷流:磁场将等离子体限制在狭窄的喷流通道中,防止物质向四周扩散;
- 加速物质:磁离心力(Magnetocentrifugal Force)将等离子体沿磁轴方向加速到相对论性速度;
- 产生辐射:电子在磁场中做螺旋运动,产生同步辐射(X射线和射电辐射的主要来源)。
四、喷流的形成机制:黑洞吸积盘的“能量释放”
SS 433的喷流,本质是黑洞吸积过程的“副产品”——吸积盘的能量通过磁场转化为喷流的动能。其形成机制可分为三步:
4.1 第一步:吸积盘的形成与加热
伴星的物质被黑洞撕裂后,形成吸积盘。吸积盘内的物质通过粘滞力(Viscosity)向内旋转,引力能转化为热能,使盘内核温度高达10?K。
4.2 第二步:磁场的“缠绕”与喷流的启动
吸积盘的旋转会带动周围的星际磁场一起缠绕,形成“磁通量管”(Flux Tube)。当磁通量管的扭矩超过吸积盘的束缚力时,等离子体会沿磁轴方向被“弹出”,形成初始喷流。
4.3 第三步:相对论性加速与准直
初始喷流中的等离子体,通过磁离心力进一步加速到相对论性速度。同时,强磁场将等离子体约束在狭窄的通道中,形成准直的喷流。由于黑洞自转轴与轨道平面有20度夹角,喷流方向随轨道周期旋转,形成螺旋结构。
五、科学意义:微类星体的“宇宙实验室”
SS 433的发现,不仅是天文学的“新物种”,更是研究相对论性喷流的“活教材”。它的意义,远超一颗普通黑洞系统:
5.1 证明恒星质量黑洞也能产生相对论性喷流
此前,类星体的喷流被认为是星系级黑洞(10?-10?M☉)的专属。SS 433证明,恒星质量黑洞(10M☉)也能通过吸积产生相对论性喷流——只是尺度更小,速度稍低(类星体喷流速度可达0.9c以上)。
5.2 揭示相对论性喷流的形成机制
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