每秒自轉將近1000次--逼近速度極限的黑洞

發表：2006-12-31 00:22

愛因斯坦廣義相對論中最令人感到新奇的預測之一，就是黑洞的存在。當一顆大質量天體，如恆星等，變得非常緻密到一定程度時，其重力如此之強，使得整個天體會塌縮成一個「奇點（singular point）」--就是「黑洞（black hole）」。哈佛史密松恩天文物理中心（Center for Astrophysics）天文學家Jeffrey McClintock等人測量一顆恆星型黑洞，發現它的自轉速度高達一秒950圈，將自轉可達的速度極限又在向上推進。

　　McClintock等人利用美國航太總署（NASA）的Rossi X射線時變探測器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）的觀測資料，直接測量3個黑洞的自轉速度。其中一個編號GRS 1915+105的微類星體（microquasar），自轉速度高達理論預測可達最大速度的82％∼100％，因此可合理解釋黑洞為何會發出噴流、伽瑪射線爆發（gamma-ray bursts）的起源、以及如何偵測到重力波（gravitational waves）等課題。

　　為什麼黑洞的自轉這麼重要？因為，在天文上，黑洞可完全以2個基本物理參數來描述：質量，和自轉速度。雖然天文學家已經成功地測量黑洞質量，可是自轉速度的測量卻很困難。這是因為由於黑洞的重力實在是太強了，使得黑洞自轉時，也會拖著周圍的空間跟著它轉；這個自轉黑洞的邊界稱為事件視界（event horizon），任何物質一旦落入事件視界的範圍內，便會被拖往黑洞中，「永不超生」。所以，天文學家測量到的黑洞自轉速率，通常是事件視界邊界上的狀況。

　　GRS 1915是目前20個已知的黑洞雙星系統中最重的，質量約為太陽的14倍左右。它有一些相當獨特的性質，例如有物質速度幾近於光速的噴流，以及X射線輻射會快速變化等。天文學家已在X射線雙星（X-ray binary）中發現數十顆黑洞。所謂的X射線雙星是指雙星系統中，其中一顆子星是像太陽一樣的一般恆星，另一顆是黑洞或中子星等緻密天體；正常伴星的表面物質會直接轉移到這個緻密的子星上，一邊繞著這個緻密子星旋轉、一邊漸漸向緻密子星的表面落下，這個過程稱為「吸積（accretion）」。在吸積過程中，物質會被加熱到數百萬度而輻射出X射線。McClintock等人就是利用黑洞吸積盤的X射線光譜來決定它的自轉速度。

　　這個運算技術，其實是基於相對論預測的一個關鍵點：吸積到黑洞上的氣體，只有在某特定半徑外才會發出輻射，這個半徑就是事件視界的範圍；在事件視界以內，物質落入黑洞的速度太快，以致於無法產生足量的輻射，所以偵測不到。事件視界的半徑只與黑洞自轉速度有關；而半徑愈小，吸積盤上發出的X射線愈熱，溫度再加上X射線的亮度資料，就可以算出事件視界半徑大小，再藉以估計黑洞自轉速度。這個概念相當簡單易懂，不過若無RXTE等精密的太空望遠鏡幫忙，也無法達成目標。

　　這些天文學家目前認為GRS 1915和另外兩顆高速自轉的黑洞，是在原始正常恆星塌縮成黑洞的過程中，將角動量（ngular momentum）通通轉移到體積奇小的黑洞上所致。就如同溜冰者將手臂張開時的自轉速度較慢，可是一旦將手臂縮起，自轉速度就會陡然變快一樣。獲得黑洞自轉速度的這個關鍵物理因子，就如同獲得聖盃一樣，許多關於黑洞的謎題或許都可迎刃而解。

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