分析神祕週期性 X 射線,科學家測出黑洞轉速高達光速一半

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 14 日 13:57 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly


透過觀察恆星被黑洞撕裂時釋出的神祕週期性 X 射線,麻省理工學院一組團隊終於計算出黑洞的旋轉速度:高達光速 50%。

麻省理工學院天體物理學與太空研究所 Dheeraj Pasham 表示,只要知道黑洞最基本的兩個屬性:質量與旋轉,你就能摸清一個黑洞。要測量黑洞的質量相對簡單,天文學家只要確定圍繞黑洞運轉的恆星之速度就可得知,黑洞質量越大,恆星移動速度越快;然而,測量黑洞旋轉的方式比較複雜,因為旋轉僅影響非常接近黑洞事件視界的時空。

不過根據潮汐力崩解(tidal disruption)理論,如果有顆恆星在最靠近黑洞的最內層穩定圓形軌道(ISCO,Innermost Stable Circular Orbit)上運行,那麼在恆星完全被黑洞吞噬前,應該會規律釋出 X 射線,這規律性取決於 ISCO 軌道大小,而 ISCO 軌道的尺寸又取決於黑洞的旋轉速度。

換句話說,只要我們試著從黑洞潮汐力崩解事件(tidal disruption event,TDE)中找到一道規律的 X 射線,就有機會測出黑洞的轉速。

為了知道黑洞旋轉性質,麻省理工學院團隊將目標放在全天自動超新星搜索計畫(All Sky Automated Survey for SuperNovae,ASASSN)於 2014 年 11 月 22 日發現的 ASASSN-14li 潮汐力崩解事件,當時天文學家證明這並非超新星,而是某顆恆星被一個質量較太陽大 300 萬倍的超大質量黑洞撕碎的最後吶喊。

▲ ASASSN-14li 潮汐力崩解事件想像圖。(Source:NASA

在 ASASSN 之後,3 個 X 射線衛星:錢卓拉 X 射線天文衛星、XMM-牛頓衛星、尼爾·格雷爾斯雨燕天文衛星(Neil Gehrels Swift Observatory)迅速跟進檢測,在 450 天觀測期內,Dheeraj Pasham 團隊便從這批數據發現一個額外、強烈、神祕的週期性 X 射線訊號,來自黑洞事件視界附近,每隔 131 秒就堅持不懈的變亮、褪色。

團隊認為,實際上這個規律的 X 射線訊號就是由另一顆位於 ISCO 軌道的白矮星所引起,而不是來自那顆被黑洞吞噬的恆星。該白矮星軌道與黑洞的距離剛好不至於被黑洞潮汐力粉碎,但仍有些小碎屑被持續剝離,有如拖曳著一條發光的大衣,當它週期性繞過黑洞時,就是科學家看見的規律變亮、變暗的 X 射線。

將白矮星的公轉速度與黑洞的質量相結合,使研究人員得以確認黑洞的旋轉速度,根據計算,黑洞的旋轉速度將近光速一半。當然,從時間長河來看,這段規律的 X 射線爆發相當罕見,只會持續數百年,ISCO 軌道恆星終究會成為黑洞的養分。

團隊很幸運可以從數據中發現這個特殊系統,Dheeraj Pasham 期許接下來 10 年內能發現更多類似事件。新論文發表在《科學》期刊。

(首圖來源:麻省理工學院

延伸閱讀: