藉由反射回光法觀測黑洞冕區的變化,有利黑洞研究

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 25 日 12:00 | 分類 天文 follow us in feedly


英國劍橋大學(University of Cambridge)天文學家 William Alston 等人利用歐洲太空總署(ESA)的 XMM-Newton X 射線觀測衛星(XMM-Newton X-ray Observatory)首度觀測活躍星系(active galaxy)IRAS 13224-3809 中央超大質量黑洞周圍,高能 X 射線釋放過程與鄰近氣體交互作用造成的反射回光(reverberating echo)傳遞與分布概況。

這個活躍星系是目前已知全天變化最劇烈的 X 射線源之一,亮度在數小時內可變化達 50 倍程度,如下方示意圖。藉由追蹤 X 射線反射回光的變化狀況,天文學家發現,IRAS 13224-3809 黑洞冕區的亮度和大小隨時間改變速度快得驚人,變化時間往往只需數天。這項研究能幫助天文學家深入了解黑洞冕區的動力行為和周遭環境,甚至了解星系形成和演化的歷史。

▲ 超大質量黑洞冕區變化動圖。

黑洞通常非常小且不發出可直接偵測到的輻射,因此天文學家很難直接了解黑洞的行為。不過物質旋轉落往黑洞的過程會在黑洞周圍形成扁平的吸積盤;非常接近中間黑洞的吸積盤處為黑洞冕區(corona),氣體和電子會加熱到 10 億度的極高溫程度而釋放出大量高能 X 射線,天文學家便可藉機利用 X 射線輻射間接探索黑洞。這個區域也往往會因黑洞的強大重力和極端性質而呈現高度扭曲狀態。

大家都很熟悉,在不同地形或物質環境,說話或喊叫的回聲會不一樣,從黑洞鄰近區域的 X 射線輻射回光傳遞狀況,天文學家便可繪製出這個區域的幾何形狀和物質團狀態,這種測量方式稱為「回聲定位」(echo location)。又由於向中心旋落的氣體的動力學狀態與黑洞本身有關,所以可從 X 射線輻射回光反推黑洞的質量和自轉(自旋)等物理性質。質量、自旋和電荷戲稱為「黑洞三毛」,科學家認為只要有這三根毛的資料,就算掌握黑洞完整的訊息。

IRAS 13224-3809 黑洞冕區的亮度和大小變化劇烈,往往僅需數天,反射回光也會隨著黑洞冕區大小變化而改變;天文學家可據此反推黑洞冕區的變化。這種方式測出的黑洞質量和自轉等性質,比冕區沒有大小變化的黑洞所得結果還要精確。但黑洞質量不會變,所以改變的只是反射與回光反映的變化有關連的周圍氣體環境。

此研究所用資料是 XMM-Newton 衛星於 2011~2016 年間 16 次軌道時間內,共累積 200 萬秒成果,看起來好像很久,其實換算一下只有 23 天,不過已夠讓 Alston 等人建立電腦模型,模擬黑洞造成冕區反射迴光的每日變化狀況。因為大部分超大質量黑洞的視直徑都很小,所以此次研究無法如事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)直接拍攝 M87 星系中心超大質量黑洞影像那樣觀測。反射回光法可偵測的超大質量黑洞數量估計可達數百個,對相關研究很有助益,未來 ESA 專為觀測黑洞周圍環境設計的雅典娜衛星(Athena)升空後,數量必定會再增加。

(本文由 台北天文館 授權轉載;圖片來源:ESA