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仙女座星系中發現首顆恆星型黑洞的極亮X射線源

2012/03/10 | | 標籤:

一組跨國的天文研究團隊在仙女座星系(Andromeda galaxy,M31)首度發現一顆極亮X射線源( ultraluminous X-ray source,ULX),很可能是一顆質量約為太陽13倍的恆星型黑洞以極快的速率吞噬物質所造成的。其發出X射線輻射的方式類似X射線雙星(X-ray binary),不過這顆黑洞周遭包圍的星際塵埃和氣體不若X射線雙星多,因此可讓天文學家研究天體所發出從低能到高能X射線的所有輻射變化狀況。

極亮X射線源所發出的X射線輻射量極高,在X射線波段非常明亮,因此不僅鄰近宇宙中可以發現這類天體,甚至在非常遙遠的早期宇宙中也觀測得到;不過ULX與在星系核心有質量高達數百萬到數十億倍超大質量黑洞造成的活躍星系核或類星體不同。由於每個星系中可找到的ULX通常只有1~2個,而且還不是每個星系中的ULX都已發現,因此資料量不足的狀況下,關於極亮X射線源的起源爭議頗多,目前較受天文學家青睞的理論有二種:第一種認為是恆星型黑洞以極高速率累積物質所造成的,第二種則認為是一種新型的中等質量黑洞(intermediate mass black hole,IMBH)以較低速率累積物質而造成的。解決上述爭議的困難之處,在於這些天體距離都很遙遠,無法觀測到ULX的細節。恆星型黑洞一般是質量9倍~100倍之間的大質量恆星演化到末期所形成的天體;而中型黑洞則是質量介在100~100,000倍太陽質量的黑洞。

The ULX in Andromeda could be observed during about two months in late 2009 and early 2010 as can be seen in this short animation.  不過,天文學家最近在距離僅約200多萬光年之處的仙女座星系中發現ULX。這個以天文尺度而言,相當於銀河系後花園的M31,是離銀河系最近的大型星系。天文學家利用兩架X射線觀測衛星—錢卓(Chandra)和XMM- Newton常態性監測M31星系中的X射線動態。在2009年底時,錢卓首度在M31中觀測到一種新天體,相關研究學者將其歸類為所謂的低光度ULX(low luminosity ULX);雖說「低光度」,不過實際上它的X射線光度比整個M31的總X射線光度還亮呢!然而,這個天體不僅是第一顆在M31螺旋星系中發現的ULX,而且是離地球最近的ULX。天文學家因此紛紛利用史威福(Swift)和哈柏(HST)等太空望遠鏡觀察這個天體,希望能取得這個ULX的完整訊息。

這組天文團隊非常幸運的取得了ULX幾乎完整的光變曲線,由光變曲線來看,這個天體的行為和我們銀河系中的其他X射線源非常相近,在約一個月的時間範圍內,輻射量呈指數下降;這種現象在恆星型X射線雙星系統相當常見。因此這些天文學家懷疑M31中的這個ULX很可能含有一個以極高速率吞噬物質的恆星型黑洞。

另一個可能是黑洞的徵兆來自X射線衰退過程中,其X射線光譜形狀變化的模式。這些天文學家認為ULX的高光度很可能導致較內層的區域向外膨脹而形成類似「光球」的型態。另一方面來說,我們可經由比較這個天體和銀河系中其他ULX來獲得比較完整而清楚的概念。

雖然這些天文學家很希望藉由觀察再一次爆發來確認他們的想法正確與否,不過如果這個天體的性質真的與我們銀河系中的X射線雙星類似,那麼這些天文學家就有得等了,因為基本上,同一X射線雙星數十年才會爆發一次。但從另一個角度來看,M31星系中其實有許多X射線雙星,這些天文學家都在期待:如能持續監測,說不定哪天在M31裡能發現另一個類似的爆發源呢!

資料來源:First ultraluminous source in Andromeda galaxy unmasked as stellar mass black hole [2012.02.23]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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