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超大質量的黑洞會吞掉銀河系嗎?──黑洞大解密(三)

本文為系列文章,前文請見:
黑洞是什麼?速度要多快才能脫離黑洞呢?──黑洞大解密(一)
太陽會變成黑洞嗎?可不可以利用黑洞做時空旅行?──黑洞大解密(二)

超大質量黑洞是什麼?

依照黑洞的質量來分類,黑洞主要分成兩種,一種是恆星質量黑洞,這是超過 25 倍太陽質量恆星演化的最終結果,這類黑洞的質量大約是幾倍到幾十倍的太陽質量之間。另一種是超大質量黑洞,超大質量黑洞的質量非常巨大,大約是數十萬到數十億太陽質量。我們銀河系中心有一個超大質量黑洞,這顆黑洞位在人馬座的方向,所以被稱為人馬座 A*(Sgr A*),它距離我們約 26000 光年。

錢卓 X 光觀測衛星拍攝人馬座 A*的 X 射線影像,圖/NASA

人馬座 A* 黑洞的質量有多大呢?算出人馬座 A* 黑洞質量的方法,跟算出太陽質量的方法是一樣的。我們知道地球跟太陽的距離和地球繞太陽的時間,運用簡單的牛頓力學就可以得到太陽的質量。

科學家用地面上的巨大望遠鏡,經過數十年的觀測,發現幾顆恆星以橢圓軌道繞著人馬座 A* 運行,人馬座 A* 位在橢圓的焦點上。這些恆星都繞著人馬座 A* 運行,不過它們並沒有被黑洞吞食。這些恆星運行的速度非常快,如果不是人馬座 A* 有強大的重力把它們拉住,它們早就不知道飛到哪裡去了。

其中一顆編號 S2 的恆星繞人馬座 A* 的週期是 15.6 年,S2 距離人馬座 A* 最近時只有 120 天文單位,也就是地球和太陽距離的 120 倍。根據 S2 的運行軌道,科學家就可以算出人馬座 A* 的質量,這個黑洞的質量大約是太陽質量的 400 萬倍!

根據 S2 的橢圓軌道和繞人馬座A* 的週期,運用牛頓力學就可以算出人馬座A* 的質量。圖/Eisenhauer, F. et al.

人馬座 A* 這個超大質量黑洞會吞掉整個銀河系嗎?當然不會,因為它連距離非常近的恆星 S2 都吃不到,其他的天體離人馬座 A* 更遠,更不會受人馬座 A* 影響,所以人馬座 A* 不會吞掉整個銀河系。

人馬座 A* 事實上正在挨餓中?

我們的銀河系中心有個巨大黑洞,其他星系的中心也有巨大黑洞嗎?根據天文學家的研究,幾乎每個大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞存在著。距離我們相當近的仙女座星系,就有一顆大約 1 億倍太陽質量的黑洞!另外,M87 橢圓星系裡的超大質量黑洞則超過 10 億倍太陽質量!

目前人馬座 A* 並不活躍,也就是它幾乎沒有在進食,這一點可以從人馬座 A* 的 X 射線影像看出來。超大質量黑洞發出愈強的 X 射線,代表黑洞吞食愈多物質、愈活躍,而目前人馬座 A* 發出的 X 射線並不強烈,表示人馬座 A* 沒有在進食。不過人馬座 A* 並不是在節食不吃東西,而是食物吃完了,又沒有人持續餵它食物,所以這個超大質量黑洞目前在挨餓中⋯⋯。

不過,一樣是超大質量黑洞,類星體的超大質量黑洞可就幸運多了,它現在可正在大吃特吃呢!類星體是一種相當特別的天體,它的超高亮度正是因為這顆吃貨超大質量黑洞,類星體 3C 273 就是一個例子。

類星體 3C 273 是什麼?

1959 年,英國劍橋大學發表第三個無線電波天體目錄(Third Cambridge Catalogue of Radio Sources,簡稱為 3C),這是當時最完整的無線電天體目錄之一,目錄中一共有 471 個天體。這些無線電波天體就以 3C 加上流水號命名,3C 273 就是這個目錄中第 273 號天體。

天文學家在無線電波發現新的天體時,通常會先去找這個天體在可見光相對應的天體,這是因為天文學家對可見光的天體比較熟悉。這 471 個天體中,有些是已知會放出無線電波的電波星系和超新星殘骸,例如 3C 405 是天鵝座 A 電波星系, 3C 461 則是仙后座 A 超新星殘骸。

不過天文學家對其中一些無線電波源卻是一無所知,例如 3C 273。天文學家在仔細比對 3C 273 的位置後,發現 3C 273 在可見光是一個像星星的天體,看起來相當於 13 等星。因為這類的天體看起來像是一顆星星,所以稱它們為「類星體」。

哈伯太空望遠鏡拍攝的 3C 273 影像,3C 273 看起來就像是一顆星,它的十點鐘方向有一個從黑洞噴發出來的噴流。 圖/NASA

根據光譜的觀測,3C 273 的紅位移是 0.16,表示 3C 273 距離我們相當遙遠;即使看起來像顆星星,卻不屬於銀河系,它是距離我們大約 24 億光年的天體!從 3C 273 的距離,推算它的亮度大約是銀河系這樣星系的百倍以上!

為什麼類星體那麼亮?

根據天文學家的研究,類星體跟我們的銀河系都一樣是星系,它們的核心都有一個超大質量黑洞,不同的地方是類星體的超大質量黑洞正在吞食吸積盤上的物質,而銀河系內的超大質量黑洞則正在節食。銀河系的能量主要來自於恆星發出的光,而類星體則來自於環繞黑洞的吸積盤,吸積盤上的物質相互摩擦,發出巨大能量!這種產生能量的效率比恆星的核融合反應還要高約十倍以上!這就是為什麼類星體會這麼亮的原因。

類星體中超大質量黑洞的示意圖。超大質量黑洞有一個吸積盤,它在吸積物質時也會形成一股巨大的噴流。 圖/NASA

類星體中的超大質量黑洞是怎麼來的?是靠恆星質量黑洞吞食黑洞和恆星而形成的嗎?如果超大質量黑洞是恆星質量黑洞和恆星合併來的,那至少需要數萬顆恆星質量黑洞或恆星合併在一起,黑洞和黑洞(或恆星)之間的距離遙遠,要讓這麼多天體合併在一起相當困難。要如何形成一顆超大質量黑洞?這些問題對科學家來說還是一個未解之謎。

 

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關於作者

屋頂上的天文學家

屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好!
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