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小黑洞也有大食量!

2015/01/26 | | 標籤:

天文學家一直認為可以在M101星系旋臂上的極亮X射線源(Ultra-luminous X-ray sources,ULXs)M101 ULX-1找到中型黑洞(intermediate-mass black holes)的證據,但最新的研究指出,提供動力來源的黑洞竟然出乎意料的輕盈,僅有20-30倍太陽質量。本研究發表在2013年11月28日出版的「自然」(Nature)期刊。

為了測量黑洞質量,研究團隊利用夏威夷Mauna Kea 雙子北座望遠鏡(Gemini North Telescope)的多天體光譜儀(Multi-Object Spectrograph)測量其伴星光譜的移動以推斷黑洞質量。這個餵養黑洞的伴星是個沃爾夫-瑞葉星(Wolf-Rayet stars),這類恆星會吹出強烈的恆星風,餵養黑洞。此研究顯示M101 ULX-1的黑洞從恆星風掠取的物質,比天文學家所預測的更多。

M101 ULX-1極為明亮,由黑洞吸積盤放出的X射線和由伴星放出的紫外線比太陽還要耀眼一百萬倍,英國雪菲爾大學(University of Sheffield)天文學家Paul Crowther表示,這雖然這不是第一個發現的沃爾夫-瑞葉星和黑洞的雙星,但它距離我們有2200萬光年之遙,可是目前發現最遙遠的此類雙星系統。餵養黑洞的沃爾夫-瑞葉星極有可能已經死亡,因此這個系統現在可能是個雙黑洞雙星。

X射線源所放出的高能和低能X射線,分別被稱為「硬X射線」和「軟X射線」。這或許聽來很怪-較大的黑洞產生較多的軟X射線,而較小的黑洞產生較多的硬X射線。根據理論模型,軟X射線主要來自於吸積盤,而硬X射線則來自於吸積盤周圍的高能冕環(corona)。隨著吸積速率接近理論極限,冕環的發射強度會增加,吸積盤和冕環的交互作用也會愈增複雜。

M101 ULX-1這個 X射線源主要為軟X射線,因此很多天文學家原本認為在M101 ULX-1找到中型黑洞是遲早的事。中型黑洞的質量約有100至1000倍太陽質量,介於恆星型黑洞(stellar-mass black holes)和位處星系中心的超大質量黑洞(supermassive black holes)之間。目前中型黑洞的證據仍相當缺乏,極亮X射線源一直被認為是中型黑洞的藏身處之一,M101 ULX-1更是看來最有希望的目標。

中國科學院國家天文台劉繼峰研究員等人的研究,不但沒有在M101 ULX-1找到中型黑洞,對黑洞質量的動力學測量卻發現了一個僅20-30倍太陽質量的恆星型黑洞,為黑洞研究又增添了新謎團。根據這個研究所量測到的黑洞質量較小來說,M101 ULX-1周圍理論上應主要為硬X射線且結構複雜,真實清況卻非如此。理論上這麼低質量的黑洞可以迅速吸積且發出極亮的X射線,這樣的機制會在X射線光譜留下一些特徵,但這些特徵在此系統卻付之闕如。這個僅20-30倍太陽質量的黑洞竟能以接近理論極限的速率吸積物質,卻又相對平靜,這是很驚人的!

研究團隊之一的密西根大學(University of Michigan)天文學家Joel Bregman表示,現在想研究中型黑洞的天文學家可能得往其他有間接證據的地方尋覓,像是更亮的高亮度X射線源(Hyper-Luminous X-ray source)或是緻密的星團內部。

資料來源:

1. FAST, FURIOUS, REFINED: SMALLER BLACK HOLES CAN EAT PLENTY [Gemini Observation, November 27, 2013 ]

2. 中國學者奪取X射線極亮天體研究的“聖杯” [中國科學院國家天文台, November 28, 2013]

本文轉載自網路天文館

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