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仙女座星系中發現首顆恆星型黑洞的極亮X射線源

臺北天文館_96
・2012/03/10 ・1359字 ・閱讀時間約 2 分鐘

一組跨國的天文研究團隊在仙女座星系(Andromeda galaxy,M31)首度發現一顆極亮X射線源( ultraluminous X-ray source,ULX),很可能是一顆質量約為太陽13倍的恆星型黑洞以極快的速率吞噬物質所造成的。其發出X射線輻射的方式類似X射線雙星(X-ray binary),不過這顆黑洞周遭包圍的星際塵埃和氣體不若X射線雙星多,因此可讓天文學家研究天體所發出從低能到高能X射線的所有輻射變化狀況。

極亮X射線源所發出的X射線輻射量極高,在X射線波段非常明亮,因此不僅鄰近宇宙中可以發現這類天體,甚至在非常遙遠的早期宇宙中也觀測得到;不過ULX與在星系核心有質量高達數百萬到數十億倍超大質量黑洞造成的活躍星系核或類星體不同。由於每個星系中可找到的ULX通常只有1~2個,而且還不是每個星系中的ULX都已發現,因此資料量不足的狀況下,關於極亮X射線源的起源爭議頗多,目前較受天文學家青睞的理論有二種:第一種認為是恆星型黑洞以極高速率累積物質所造成的,第二種則認為是一種新型的中等質量黑洞(intermediate mass black hole,IMBH)以較低速率累積物質而造成的。解決上述爭議的困難之處,在於這些天體距離都很遙遠,無法觀測到ULX的細節。恆星型黑洞一般是質量9倍~100倍之間的大質量恆星演化到末期所形成的天體;而中型黑洞則是質量介在100~100,000倍太陽質量的黑洞。

The ULX in Andromeda could be observed during about two months in late 2009 and early 2010 as can be seen in this short animation.  不過,天文學家最近在距離僅約200多萬光年之處的仙女座星系中發現ULX。這個以天文尺度而言,相當於銀河系後花園的M31,是離銀河系最近的大型星系。天文學家利用兩架X射線觀測衛星—錢卓(Chandra)和XMM- Newton常態性監測M31星系中的X射線動態。在2009年底時,錢卓首度在M31中觀測到一種新天體,相關研究學者將其歸類為所謂的低光度ULX(low luminosity ULX);雖說「低光度」,不過實際上它的X射線光度比整個M31的總X射線光度還亮呢!然而,這個天體不僅是第一顆在M31螺旋星系中發現的ULX,而且是離地球最近的ULX。天文學家因此紛紛利用史威福(Swift)和哈柏(HST)等太空望遠鏡觀察這個天體,希望能取得這個ULX的完整訊息。

這組天文團隊非常幸運的取得了ULX幾乎完整的光變曲線,由光變曲線來看,這個天體的行為和我們銀河系中的其他X射線源非常相近,在約一個月的時間範圍內,輻射量呈指數下降;這種現象在恆星型X射線雙星系統相當常見。因此這些天文學家懷疑M31中的這個ULX很可能含有一個以極高速率吞噬物質的恆星型黑洞。

另一個可能是黑洞的徵兆來自X射線衰退過程中,其X射線光譜形狀變化的模式。這些天文學家認為ULX的高光度很可能導致較內層的區域向外膨脹而形成類似「光球」的型態。另一方面來說,我們可經由比較這個天體和銀河系中其他ULX來獲得比較完整而清楚的概念。

雖然這些天文學家很希望藉由觀察再一次爆發來確認他們的想法正確與否,不過如果這個天體的性質真的與我們銀河系中的X射線雙星類似,那麼這些天文學家就有得等了,因為基本上,同一X射線雙星數十年才會爆發一次。但從另一個角度來看,M31星系中其實有許多X射線雙星,這些天文學家都在期待:如能持續監測,說不定哪天在M31裡能發現另一個類似的爆發源呢!

資料來源:First ultraluminous source in Andromeda galaxy unmasked as stellar mass black hole [2012.02.23]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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