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天文學家完成黑洞三根毛理論完整敘述

光線雖然無法逃離黑洞,不過黑洞的機密總還是會有曝光的一天。透過多種天文儀器觀測,歷經20年,哈佛史密松天文物理中心和San Diego州立大學的天文學家終於首度為天鵝座X-1這個X射線雙星系統提出完整的描述,回溯它6百萬年前的形成,也解開裡面這個黑洞的身世起源之謎。

天鵝座X-1系統有一顆黑洞,一直持續地從它旁邊那顆藍色超巨星伴星吸取著物質。大約50年前,天文學家就發現到它發射出強烈的X射線。自1964年開始,天文學家一直嚴密注意該強烈X射線源,希望得到它的質量和自旋資料。但在不確切知道它和地球之間距離究竟多少,只知大約5,800~7,800光年左右這樣有限的資料之下,天鵝座X-1裡到底蘊藏著什麼秘密?先前可說是全憑臆想。

如今,藉由美國國家科學基金會(National Science Foundation)的特長基線陣列(VLBA:Very Long Baseline Array,一個橫跨洲際的大型電波干涉陣列望遠鏡),天文學家Mark Reid及他的團隊,以三角視差法直接測量了天鵝座X-1與地球間的距離,精確得到一個數字:6,070光年。

包括Mark Reid團隊在內,近期共有三篇和天鵝座X-1相關論文,同時刊載於天文物理期刊快訊Astrophysical Journal Letters上,其中Mark Reid這位作者在新聞發佈時表示,「由於再也沒有其他訊息可逃離黑洞魔掌,所以要得到關於黑洞的完整描述,全得靠得知它的質量、自旋和電荷,而黑洞的電荷幾乎是零,所以,只要測量質量和自旋,就完成了一個黑洞的描述。」

運用精確的距離測量方法,並且在錢卓X射線觀測衛星、Rossi X射線計時探測衛星(RXTE: Rossi X-ray Timing Explorer) 、宇宙學和天文物理高階衛星(ASCA)和其他數座可見光波段觀測衛星的通力協助下,集20餘年之努力,天文學家已經為「無毛定律」("No Hair" theorem)拼出一幅完整圖像。確認出這個X射線源具有將近15倍太陽質量,每秒鐘自旋800次。San Diego州立大學的共同作者Jerry Orosz說:「現在我們知道它應該是銀河系裡質量最大的一個恆星黑洞,其自旋速度一點都不慢,就和所有其他我們曾觀測到的黑洞一樣快,毫不遜色。」無毛定律和三根毛定律敘述相同的理論,黑洞像個頭上無毛、只剩三根的大光頭,所以只要「三根毛」就可完整描述它:質量、自旋和電荷。

天文學家在使用VLBA測量距離之餘,順便測量了天鵝座X-1在銀河系中的運動,因此得到意外的收穫,他們在2009年和2010年的觀測中發現,天鵝座X-1運動速度緩慢,因此進一步確認,當初天鵝座X-1形成時,可能根本沒有發生過「超新星爆炸」這個臨門一大腳,較可能的誕生成因是:超過100倍太陽質量的原星直接暗塌縮。「先前有些理論認為天鵝座X-1裡的這顆黑洞最初並不是靠超新星爆炸形成的,而這種理論在我們的研究結果中獲得了證實。」

著名物理學者霍金教授數十年前曾和加州理工學院的理論物理教授Kip Thorne拿天鵝座X-1打過賭,霍金賭的是,天鵝座X-1裡沒有黑洞。但在一些測量結果的證據下,霍金認輸(1976年)。

Kip Thorne在最近的訪談中表示:「從霍金認輸那年開始到現在,將近40年,天鵝座X-1幾乎成為黑洞的代名詞;然而天鵝座X-1裡『真的有一顆黑洞』這件事,我一直還未完全被說服。不過現在,由這三篇論文和這些作者所建立起來的模型,在天鵝座X-1雙星系統裡,確實已為黑洞提供了一個完整的敘述。」(Lauren譯)

頁首圖片說明:左圖是一張數位巡天普查所拍攝的可見光照片,照片中近中央位置,天鵝座X-1被以紅色框框了起來。這個位在銀河系、寬700光年的恆星形成區,範圍相當大且活動活躍。在右圖中,藝術家為天鵝座X-1繪製了另一幅想像圖,根據天文學家認為,天鵝座X-1系統的現況是,黑洞正在從鄰近的一顆超巨星藍色伴星吸取物質。吸收來的物質正形成一個圍繞著黑洞旋轉的吸積盤,是以紅色和橙色表示;接下來會發生的情景是:要不這些物質會被吸進黑洞之中,要不然它們會是以噴流的形式從上下兩個方向噴出。圖片版權所有:X射線:NASA/CXC;可見光圖像:數位巡天普查(Digitized Sky Survey)。

資料來源:中研院天文網[2011.11.22]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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