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M82 X-1確認是罕見的中型黑洞

2014/08/29 | | 標籤:

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馬里蘭大學(University of Maryland)天文系研究生Dheeraj Pasham等人在M82星系中成功地精確測量出有顆天體的質量約為太陽的400倍,因而確認這是個非常罕見的中型黑洞 (intermediate-mass black holes)。

黑洞是質量非常大的物質集中在極小區域中所形成的極緻密天體,連宇宙中速度最快得光都無法逃脫它的重力場,因此我們無法看到直接來自黑洞的光,只能透過因受到它的重力影響的其他天體或物質的變化來偵測黑洞。然而,當物質繞著黑洞邊旋轉邊向黑洞落入的過程中,物質會因彼此間的摩擦而發出光,讓黑洞間接成為宇宙中最「明亮」的天體之一。

宇宙中可能會有多少黑洞,大概沒有天文學家可以給出確切答案,僅就我們自己的銀河系,可能就存在1億個以上各類型黑洞。幾乎所有黑洞可以區分成兩大群,質量為太陽的10~100倍者會在死亡之際因超新星爆炸或直接塌縮而形成恆星型黑洞(stellar-mass black hole),另一種則是位在星系中心、超過100萬倍太陽質量的超大質量黑洞(supermassive black hole)。

但放眼這廣袤宇宙,其實還有一種中型黑洞,質量介在恆星型黑洞和超大質量黑洞之間,約數百倍到數千倍太陽質量,但數量相當稀少,也很難測量到,因此中型黑洞的來源一直是個待解之謎,甚至有天文學家質疑中型黑洞的行為和性質是否和其他兩種黑洞相似。天文學家從1970年代開始,觀測到百來個可能是中型黑洞的天體,但由於無法精確測量這些天體的質量,所以這些天體也只能是「疑似中型黑洞」。

M82星系距離地球約1200萬光年,位在大熊座方向,該星系中新恆星誕生速率頗高,是離我們最近的星遽增星系(starburst galaxy)。從1999年開始,天文學家利用NASA的錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)偵測M82星系中一個編號為M82 X-1明亮天體所發出的X射線。約從十年前開始,就有多位天文學家推測M82 X-1應該是個中型黑洞,但一直沒辦法獲得其精確質量來證實他們的推測。右上圖是錢卓、哈柏太空望遠鏡和史匹哲太空望遠鏡觀測的M82影像合成圖,其中M82 X-1位在M82星系中心右上角約2點鐘方向,星系中心放大至白框內的影像中最亮的那個點就是M82 X-1。

不過在2004年至2010年間,另一架NASA的Rossi X射線計時探測器(Rossi X-Ray Timing Explorer,RXTE)總共觀測M82 X-1約800次,記錄這個天體發出的每個X射線粒子。Pasham將每組不同X射線波長的觀測資料繪製成圖,然後將這些圖聯結在一起予以分析。

結果,他發現M82 X-1有兩種重複發生的閃光,應該是某種週期性的光脈動,其中一種閃光每秒5次,另一種為每秒3.3次,兩者頻率約為3:2。天文學家可以利用這種光振盪比例來測量黑洞質量;這種技術以前就曾應用在恆星型黑洞上,只是還不曾用在中型黑洞上。

依光振盪比例而得的M82 X-1質量約為太陽的428倍,誤差頂多為105倍太陽質量。不過Pasham並未提出關於這種中型黑洞如何形成的解釋,不過至少現在已確認現行觀測正確無誤,可以開始進行理論模擬的部分,或許終將可尋得中型黑洞成因的謎底。

目前RXTE已卸任,NASA計畫將在2年內發射新的X射線望遠鏡—中子星內部組成探測器(Neutron Star Interior Composition Explorer,NICER)取代之,Pasham也已經準備好利用NICER來確認6個可能為中型黑洞的天體。

資料來源:Fascinating Rhythm: Light Pulses Illuminate Rare Black Hole, 2014.08.17, KLC

本文轉載自網路天文館

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