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捕捉黑洞自旋 了解星系成長

譯者: tomatoyeung@hk

幾乎每個星系都有黑洞的存在。加上黑洞與星系、甚至宇宙的演化都有著一定的關係,所以對黑洞的研究一直都沒有停止過。先前,英國杜倫大學(Durham University)的天文學家對超質量(supermassive black hole)黑洞的自旋,有了新的測量方法,將會對了解黑洞如何主宰星系的成長有所幫助。這項成果發表在牛津大學出版社的《皇家天文學會月報》(MNRAS)中。

研究團隊觀察到一個離地球5億光年的螺旋星系(spiral galaxy)中,有一個一千萬倍太陽質量的黑洞,正在吸取身邊的物質盤(disc of material),並以此作為它成長的糧食及增強活動能力的來源。

黑洞吞食物質時會產生熱能,透過觀察這些熱能所散發的紫外線和軟X射線(soft x-ray),科學家就能推測到黑洞距離它身邊的物質盤有多遠。

研究人員表示,這個距離依黑洞的自旋速度而定,因為高速的自旋會將身邊的物質拉向自己。只要透過黑洞與物質盤的距離,研究人員就可以估算出黑洞的自旋速度。研究人員還提到,了解黑洞的自旋有助於我們更加了解星系長達數百萬年的成長過程。

在宇宙中,黑洞幾乎存在於所有星系的中心,而且可以發射出無數的高能量熱粒子,從而防止星系際氣體(intergalactic gases)冷卻及星系外(outer galaxy)星體的形成。不過,科學家現時還未清楚為什麼黑洞要將噴流發射到外太空中。杜倫大學的專家們相信,這些能量與黑洞的自旋有著一定關係。可是,測量黑洞自旋並不容易,因為黑洞自旋的資訊只能透過附近物質的行為來推測,這使測量的難度更高。

透過畫家筆下的構想圖可以看到,畫面中心有一個超質量黑洞正被一大堆的物質包圍著,並且向著黑洞流去,這就是所謂的吸積盤(accretion disc)。另外亦看到一個充滿高能量粒子的噴流向外流走,相信是因為黑洞自旋對這些粒子提供了能量的關係。 圖片來源:(NASA/JPL-Caltech)

杜倫大學物理學系的首席研究員,Chris Done教授說:「我們知道每個星系中心的黑洞都牽連著整個星系本身,但這令整件事情變得更奇怪,因為對比整個星系,黑洞的體積小得不成比例。就好像一塊大約10公尺的大石頭能影響整個地球一樣。」

研究團隊利用歐洲太空總署(European Space Agency)XMM牛頓衛星(XMM-Newton)捕捉到的紫外線及軟X 射線圖像,測量黑洞的自旋。

明白星系中的星體以及黑洞成長之間的關係,或反過來,都是理解星系在宇宙過去的時間中如何形成的關鍵。

如果黑洞自旋時把時間及空間都拖拉在一起,而內陷的時空又將包含黑洞「糧食」 的吸積盤(accretion disc)向黑洞本身拉近。這就令黑洞旋轉得更快,有點像一個溜冰者在迴轉一樣。

藉由測量黑洞與吸積盤之間的距離,研究團隊相信可以更有效地測量到黑洞的自旋。也是因為這樣,團隊希望有能力了解更多有關黑洞和它們所在星系之間的關係。

 

原文網址:

Capturing black hole spin could further understanding of galaxy growth. Royal Astronomical Society (RAS) [29 July 2013]

研究文獻:

Done, C., Jin, C., Middleton, M., & Ward, M. (2013). A new way to measure supermassive black hole spin in accretion disc-dominated active galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 434(3), 1955-1963.

審訂及意見提供(不勝感激):

  • Antony Tse(香港科技大學 - 電腦科學系本科)
  • Milk Lin(台灣學術期刊《Taiwania》執行編輯)

延伸閱讀:

  1. 台灣國立科學自然博物館。太陽系的起源(一)-吸積盤與噴流
  2. 臺北市立天文科學教育館網路天文館-天文FAQ-黑洞
  3. 歐洲太空總署-XXM 牛頓衛星 (英)

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。