史上首次 NASA确认黑洞以近光速旋转(图)



艺术家图解超级大黑洞的概念,其质量是太阳的数百万倍至数十亿倍。超级大黑洞深藏在银河系中心,是密度浓厚无比的天体。(NASA/JPL-Caltech)

美国及欧洲的太空研究机构最近发表研究结果,发现一个质量是太阳200万倍的超级大黑洞以近光速的速率旋转。这是科学家首次准确测量黑洞的旋转速度。

最近《自然》(Nature)杂志发表一项新的研究结果指出,美国太空总署的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和欧洲太空总署的X射线多镜面任务-牛顿卫星(XMM-牛顿)两大X射线太空观测站携手合作,首次准确量测出质量是太阳200万倍的超级大黑洞的旋转速率。这颗位于NGC 1365银河系中心的超级大黑洞旋转的速率几乎达到爱因斯坦重力理论的极限值(即光速)。广义相对论认为,重力会扭曲时空、宇宙结构,以及行经重力场的光。此项观测研究也再一次验证爱因斯坦的广义相对论。

黑洞(Black hole)是宇宙中一种超大质量的天体,根据广义相对论,它产生的巨大重力场会吞噬任何物质与辐射,包括光。因此,科学家只能藉由测量它对周围天体的作用,来间接观测或推测它的存在。这种“太空怪物”的质量可达太阳的数百万倍至数十亿倍,形成“超级大黑洞(Supermassive black holes)”,它深藏在银河系中心,密度浓厚无比。

美国哈佛大学史密森天体物理学中心、义大利国家天体物理研究所的天文学家Guido
Risaliti认为,超级大黑洞在宇宙初期像小种子般形成后,开始吞噬宿主星系中的星体和气体,或者当星系之间产生碰撞时,与别的巨型黑洞融合,藉此逐渐成长。

这项发现解决了此类黑洞相关量测上一个争议已久的问题,并使科学家能更了解黑洞和星系的演化过程。NASA NuSTAR的科学家Lou Kaluzienski认为,这是黑洞科学界非常重要的发现。

解决X射线的观测问题

当宇宙物质受黑洞重力向内拉扯时,会形成状如薄煎饼的吸积盘(accretion disks)环绕在超级大黑洞周围。由于黑洞不断的收缩、融合过程,最终会将周遭的物质合成为铁元素,因此,天文学家便透过分析吸积盘中流动的铁原子散出的X射线,间接发现黑洞,并对之进行研究。

但是,由于弥漫黑洞的气状云层(clouds of gas)遮掩着黑洞、混淆观测结果,致使科学家一直以来都无法确切掌握量测结果和黑洞旋转的速率。2012年6月NASA启动的NuSTAR探勘任务,终于解决了这个难题。这架望远镜能够钜细靡遗的侦测最高能量的X射线,配合XMM-牛顿与NASA钱德拉这些观测低能量X射线的天文望远镜,就能观测到更广域的X射线能量,进一步洞察黑洞的周遭区域。

天文学家在新的研究中,运用NuSTAR和XMM-牛顿两大天文望远镜,同步观察位于NGC 1365银河系的黑洞。当XMM-牛顿侦测出铁原子射出的光被扭曲之时,NuSTAR能证实这种变形正是来自黑洞的重力,而非附近的气状云层。由NuSTAR观测到的高能量X射线数据可知:愈靠近黑洞,其变形效应愈受到重力的影响。(根据爱因斯坦的广义相对论:黑洞旋转得越快,吸积盘就越靠近黑洞,从吸积盘涌出的X射线就会被强大重力扭曲得更厉害。)

排除了云层遮掩的可能性之后,科学家现在可以针对铁原子的失真特征,明确无误的测定超级大黑洞的旋转速率。这项研究结果同样解决先前其它几个黑洞观测数据上的困惑。

准确测定超级大黑洞的旋转,对于了解黑洞及其宿主星系的来历很重要。



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