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天文新知

亮度大小都會暴起暴落的黑洞冕區

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射線釋放過程中與鄰近氣體交互作用而造成的反射回光(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,其亮度在數小時內可變化達50倍的程度,如下方示意圖。藉由追蹤X射線反射回光的變化狀況,天文學家們發現:IRAS 13224–3809黑洞冕區的亮度和大小隨時間改變的速度快得驚人,變化時間往往只需數天。這項研究能幫助天文學家深入瞭解黑洞冕區的動力行為和周遭環境,甚至進而瞭解星系形成和演化的歷史。

超大質量黑洞冕區變化示意圖。Credit: ESA
圖說:超大質量黑洞冕區變化示意圖。Credit: ESA
 
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瞭解黑洞的行為。不過物質旋轉落往黑洞的過程中會在黑洞周圍形成一個扁平的吸積盤;非常接近中間黑洞的吸積盤處為黑洞冕區(corona),其中的氣體和電子會被加熱到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射線輻射間接地探索黑洞。而這個區域也往往會因為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:在不同的地形或物質環境中,說話或喊叫造成的回聲會不一樣。從黑洞鄰近區域中的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,這種測量方式稱之為「回波定位(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,所以可以從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、自旋和電荷被戲稱為「黑洞三毛」,科學家認為只要有這三根毛的資料,就算是掌握了黑洞完整訊息。

IRAS 13224–3809黑洞冕區的亮度和大小變化劇烈,往往僅需數天時間,而其反射回光也會隨著黑洞冕區大小變化而改變;天文學家便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。但黑洞質量本身是不會變的,所以改變的只是反射了與回光反映的變化有關連的周圍氣體環境。

本此研究所用資料是XMM-Newton衛星於2011年至2016年間的16次軌道時間內,共累積200萬秒的成果,看起來好像很久,其實換算一下只有23天,不過已足夠讓Alston等人建立電腦模型模擬黑洞造成冕區反射回光的每日變化狀況。因為絕大部分超大質量黑洞的視直徑都很小,所以本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進行觀測。而反射回光法可以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,這個數量必定還會再增加。(編譯/張桂蘭)
 
資料來源:ESA

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