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發現繞銀河中心黑洞最快的恆星,或可呈現黑洞周圍的時空結構

2012/10/18 | | 標籤:

美國柏克萊大學洛杉磯分校(UCLA)的天文學家Andrea Ghez等人,利用凱克望遠鏡(Keck)觀測,在銀河中心附近發現一顆恆星,繞著銀河中心超大質量黑洞一周僅需11.5年,這是目前已知熱銀河中心黑洞週期最短的恆星。這些天文學家認為:或許可透過這顆現在編號為S0-102的恆星,瞭解銀河中心超大質量黑洞周圍的時空結構,是否符合愛因斯坦廣義相對論中的預期。

目前普遍認為銀河系的中心棲息著一顆質量高達400萬倍太陽質量的超大質量黑洞,稱為人馬座A*。在發現S0-102之前,天文學家僅利用散斑干涉(Speckle)的方式在人馬座A*周圍發現一顆公轉週期極短的恆星S0-2,繞人馬座A*一周約16年,Ghez常暱稱它是人馬座A*的「親信」。S0-2的編號中,S代表銀河中心和超大質量黑洞所在的人馬座(Sagittarius)。

黑洞由於重力極強,連宇宙最快速度的光,在鄰近黑洞時,都無法逃脫它的重力牢籠,所以根本無法觀察到直接來自黑洞的光;但好在其重力場強,天文學家可利用黑洞重力對鄰近恆星的影響來間接研究這種奇怪的天體。Ghez等人過去17年來持續利用凱克望遠鏡研究人馬座A*周邊約3000顆恆星,試圖尋找公轉週期20年以下的恆星;並自1995年起持續追蹤S0-2的狀況。絕大部分她們所研究的恆星,繞人馬座A*的週期都在60年以上,但S0-2和S0-102的公轉週期卻小於人的一生,讓她們可以經由這兩顆星與黑洞的交互作用,詳細研究黑洞周圍真正的時空幾何結構。如果只有單獨一顆星,是沒有辦法完成這樣的研究任務的。

愛因斯坦廣義相對論中預測:質量會造成時空彎曲,不僅會讓時間變慢,也會使空間距離延長或縮短。研究團隊之一及本篇論文作者的Leo Meyer表示:時至今日,每一部iPhone裡都有愛因斯坦,因為手機裡的GPS全球定位系統就是按愛因斯坦理論發展起來的。而Ghez等人的研究想要發掘的,正是類似於「若將這些手機靠近黑洞的話,類似GPS的這些功能仍會相同而不變嗎?」這樣問題的答案。

在離超大質量黑洞這麼近的地方發現恆星,讓Ghez等人覺得相當興奮,因為這相當於開始一場新球賽,可以藉此瞭解黑洞如何隨時間成長,星系中心的超大質量黑洞到底是個什麼樣的角色,愛因斯坦廣義相對論對黑洞附近的預測是否正確等。

如同太陽系中繞太陽公轉的行星一樣,S0-102和S0-2都以橢圓軌道繞銀河中心的超大質量黑洞公轉。太陽系裡的行星運動在300年前提供作為牛頓重力理論的測試與驗證,同理,S0-102和S0-2的運動可提供作為愛因斯坦廣義相對論中有關重力場會影響時空曲率相關預測的測試與驗證,不過每顆恆星都得觀測至少半個軌道以上,才能夠作為這種用途。Ghez表示:能在銀河中心周圍看到公轉週期如此短的恆星,不僅能證明黑洞的確存在,而且還是第一次獲得能驗證基本物理的機會,這是最叫人興奮的事。由這些恆星的橢圓運動,可估算超大質量黑洞的質量;如果能繼續改善測量的精確度,那麼便可計算真正的恆星軌道與完美橢圓軌道之間的偏差量,這就是廣義相對論的特徵。

Ghez等人估計S0-2大約比S0-102亮15倍左右,其中S0-2將在2018年最靠近半人馬座A*。按廣義相對論預測,公轉週期在20年以下的恆星最靠近超大質量黑洞時,它們的運動受到黑洞時空曲率的影響最大,來自恆星的光發生的扭曲才大到可以測量的程度。不過,由於這個與完美橢圓軌道的偏差非常小,故而需要非常精確的測量;Ghez等人為此在過去15年間大幅改善他們的測量能力,這才終於能符合這個需求,特別是凱克望遠鏡在啟用自適應光學(adaptive optic)以抵抗地球大氣擾動後,Ghez等人陸續發現許多超大質量黑洞周圍令人經其的環境特徵,例如:發現原本沒預期在黑洞周邊會看到的年輕恆星,反倒是找不到原本預期應該在黑洞周圍會出現的老恆星並進而發現超大質量黑洞雖不是個和藹可親的鄰居,但讓人吃驚的是,黑洞也不像之前推測的那樣對恆星非常不友善等等。若未來觀測能力可以繼續改善,將讓黑洞更多特性清楚呈現出來。

資料來源:

The Discovery of the shortest period star in the Galactic Center: S0-102. UCLA

UCLA astronomers discover star racing around black hole at center of our galaxy. UCLA Newsroom [October 04, 2012]

轉載自 網路天文館

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