捕捉黑洞自旋 了解星系成長

譯者： tomatoyeung@hk

幾乎每個星系都有黑洞的存在。加上黑洞與星系、甚至宇宙的演化都有著一定的關係，所以對黑洞的研究一直都沒有停止過。先前，英國杜倫大學（Durham University）的天文學家對超質量（supermassive black hole）黑洞的自旋，有了新的測量方法，將會對了解黑洞如何主宰星系的成長有所幫助。這項成果發表在牛津大學出版社的《皇家天文學會月報》（MNRAS）中。

研究團隊觀察到一個離地球5億光年的螺旋星系(spiral galaxy)中，有一個一千萬倍太陽質量的黑洞，正在吸取身邊的物質盤(disc of material)，並以此作為它成長的糧食及增強活動能力的來源。

黑洞吞食物質時會產生熱能，透過觀察這些熱能所散發的紫外線和軟X射線（soft x-ray），科學家就能推測到黑洞距離它身邊的物質盤有多遠。

研究人員表示，這個距離依黑洞的自旋速度而定，因為高速的自旋會將身邊的物質拉向自己。只要透過黑洞與物質盤的距離，研究人員就可以估算出黑洞的自旋速度。研究人員還提到，了解黑洞的自旋有助於我們更加了解星系長達數百萬年的成長過程。

在宇宙中，黑洞幾乎存在於所有星系的中心，而且可以發射出無數的高能量熱粒子，從而防止星系際氣體（intergalactic gases）冷卻及星系外（outer galaxy）星體的形成。不過，科學家現時還未清楚為什麼黑洞要將噴流發射到外太空中。杜倫大學的專家們相信，這些能量與黑洞的自旋有著一定關係。可是，測量黑洞自旋並不容易，因為黑洞自旋的資訊只能透過附近物質的行為來推測，這使測量的難度更高。

透過畫家筆下的構想圖可以看到，畫面中心有一個超質量黑洞正被一大堆的物質包圍著，並且向著黑洞流去，這就是所謂的吸積盤（accretion disc）。另外亦看到一個充滿高能量粒子的噴流向外流走，相信是因為黑洞自旋對這些粒子提供了能量的關係。 圖片來源：（NASA/JPL-Caltech）

杜倫大學物理學系的首席研究員，Chris Done教授說:「我們知道每個星系中心的黑洞都牽連著整個星系本身，但這令整件事情變得更奇怪，因為對比整個星系，黑洞的體積小得不成比例。就好像一塊大約10公尺的大石頭能影響整個地球一樣。」

研究團隊利用歐洲太空總署（European Space Agency）XMM牛頓衛星（XMM-Newton）捕捉到的紫外線及軟X 射線圖像，測量黑洞的自旋。

明白星系中的星體以及黑洞成長之間的關係，或反過來，都是理解星系在宇宙過去的時間中如何形成的關鍵。

如果黑洞自旋時把時間及空間都拖拉在一起，而內陷的時空又將包含黑洞「糧食」 的吸積盤（accretion disc）向黑洞本身拉近。這就令黑洞旋轉得更快，有點像一個溜冰者在迴轉一樣。

藉由測量黑洞與吸積盤之間的距離，研究團隊相信可以更有效地測量到黑洞的自旋。也是因為這樣，團隊希望有能力了解更多有關黑洞和它們所在星系之間的關係。

原文網址：

Capturing black hole spin could further understanding of galaxy growth. Royal Astronomical Society (RAS) [29 July 2013]

研究文獻：

Done, C., Jin, C., Middleton, M., & Ward, M. (2013). A new way to measure supermassive black hole spin in accretion disc-dominated active galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 434(3), 1955-1963.

審訂及意見提供（不勝感激）:

• Antony Tse（香港科技大學 － 電腦科學系本科）
• Milk Lin（台灣學術期刊《Taiwania》執行編輯）

延伸閱讀：

1. 台灣國立科學自然博物館。太陽系的起源（一）－吸積盤與噴流
2. 臺北市立天文科學教育館網路天文館-天文FAQ－黑洞
3. 歐洲太空總署-XXM 牛頓衛星 （英）