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Jan. 24 2019

天文學家終於目擊恆星變身黑洞!

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  • 天文學家終於目擊恆星變身黑洞!

一位天文物理學家表示:「我們等待這樣的天體出現,已經等了好多年了。」

E0102這個超新星殘骸距離地球有20萬光年之遠,內部有顆恆星死亡後的殘骸──密度極高的中子星。而觀察這些恆星爆炸的天文學家,在比E0102還要遠1000倍的星系CGCG 137-068中,可能目擊到中子星──或甚至黑洞的誕生。
PHOTOGRAPH BY (NASA/CXC/ESO/F.VOGT ET AL); OPTICAL (ESO/VLT/MUSE & NASA/STSCI)

2億年前,當恐龍還在遠古地球上踩著厚重步伐時,一顆巨大的恆星正邁入垂死掙扎。這顆恆星死亡後產生的爆炸在宇宙中非比尋常,它的光芒在去年6月總算抵達地球,讓科學家抓破了頭,仍百思不得其解。

現在,這道神祕閃光的來源可能已經有了答案。這顆奇特的超新星有個特殊的暱稱:「母牛」,由45名天文學家組成的團隊對它進行的最新觀測,顯示人類可能首度捕捉到垂死恆星誕生黑洞的瞬間。

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美國西北大學的天體物理學家拉菲拉.馬古蒂(Raffaella Margutti)領導該團隊,她說:「我們等待這樣的天體出現,已經等了好多年了。」。她和同事於1月初在華盛頓西雅圖舉行的美國天文學會年會上,報告了這項研究結果,並將於近期發表在《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)上。

這個團隊所觀測到的數據包含了多個波段的資料,可能證明這顆巨大的恆星坍縮形成中子星,這是一種緻密的恆星殘骸。而其他團隊研究「母牛」後,則是對這顆天體的異常表現提出了其他解釋。那麼我們到底知道「母牛」的那些資訊呢?為什麼天文學家對它充滿了疑惑?快來跟著我們一探究竟吧!

↑↑↑↑↑101科學教室:黑洞。大家都聽過黑洞,但那到底是什麼玩意兒?

「母牛」的位置在哪裡?為什麼會有這樣的暱稱?

「母牛」是在距離地球約2億光年遠的矮螺旋星系CGCG 137-068外圍爆發的天體。之所以稱為「母牛」,是因為根據規則自然產生的正式名稱就是AT2018cow。一群天文學家在2018年6月16日,使用夏威夷的ATLAS望遠鏡觀察到這個天體,並在6月17日通報其他天文學家,引發許多望遠鏡競相轉向這個天體,觀測這場爆發的後續情形。

「母牛」有什麼特別的呢?

「母牛」並不是我們在夜空中第一次看到這樣的閃光,但卻是目前為止偵測到距離最近的一個,這讓科學家有了前所未有的機會,能夠仔細進行觀測。它的亮度非常明亮,變亮的速度也非常快。「母牛」最亮的時候,在X射線波段的亮度甚至比一般的恆星爆發(也就是超新星)亮了十倍之多。「母牛」只花了幾天時間就達到亮度的巔峰,但一般的超新星則需要花上幾個星期。

此外,我們一開始還搞不太清楚「母牛」的能量來源。在一般的情況下,超新星爆炸的能量來自內部的放射性同位素鎳-56。但當天文學家計算「母牛」拋射出的碎屑物質時,卻發現總量低得驚人,可能僅相當於我們太陽質量的十分之一。這非常地怪異,因為一般而言,超新星會噴發出相當於十個太陽的碎屑量。

即使「母牛」的碎屑全都是由鎳-56組成,也不會有足夠的能量供給觀測到的那種爆發現象。不僅如此,天文學家還意外發現,碎屑物質中含有氫和氦。之所以說意外,是因為爆發形成超新星的恆星,應該早已把這兩種元素用作核融合的燃料耗盡才對。

「母牛」發出輻射的方式也非常與眾不同。舉例來說,馬古蒂的團隊請求美國航太總署(NASA)將核光譜X射線望遠鏡陣列(NuSTAR)指向這個天體。觀測數據顯示,「母牛」出現的一星期過後幾天,它的高能X射線竟意外地變得更明亮了。「當我們收到這些數據時,第一反應是我們是不是有什麼東西搞錯了。」馬古蒂這麼說。

我們知道「母牛」是怎麼形成的嗎?

目前天文學家的共識是,「母牛」的中心有個向外發出高能X射線的緻密「中心引擎」。無論這個天體是什麼,它顯然都被包覆在某種爆發後拋射物質所形成的非對稱團塊之中。

「有個笑話是這麼說的,我們物理學家總是把很多東西模擬成球體母牛1編注:這是諷刺物理學家把模型簡化到與真實世界脫節,可見維基中文的解釋,但顯然地,這頭『母牛』並不是個球體,」這篇研究論文的共同作者──美國哥倫比亞大學的物理學家布萊恩.梅茨格(Brian Metzger)這麼說:「很難把這解釋成一個球體對稱的事件,因為如果X射線的光源也是可見光輻射的能量來源,那麼這些X射線又是怎麼抵達地球的呢?」

馬古蒂團隊建立的模型是這麼描述的:相對於這個天體赤道附近的物質團塊來說,從兩極拋出的碎屑運動得更快,因此也會更快變得透明。赤道附近的團塊會吸收天體中心引擎所發出的高能X射線,溫度因此升高,產生「母牛」的可見光。但是,也有一些高能的X射線會從「母牛」較為透明的兩極散逸出來。

同時,「母牛」的無線電波訊號顯示,這簡直是頭橫衝直撞頭的牛。當「母牛」爆炸時,有些碎屑向外飛散的速度甚至超過每秒2萬9000公里,約相當於光速的十分之一。其中速度最快的物質,似乎衝撞了「母牛」周圍的稠密粒子團塊,造成溫度升高,並因此產生無線電波訊號。

那麼,「母牛」的「中心引擎」是什麼?

馬古蒂的團隊認為最可能的情況有兩種。「母牛」可能是一顆高度磁化的中子星,每秒鐘自轉約1000次。另一種可能性是,當巨大炙熱的藍超巨星爆炸失敗,變成黑洞時,才形成了「母牛」這個天體。

在第二種狀況下,恆星內部的大部分物質發生坍縮,而形成黑洞,但一開始恆星的最外層物質還沒有反應過來。當內部的黑洞加速變大時,恆星的部分質量會以微中子這種鬼魅般的粒子形式喪失。當微中子從恆星中心向外飛出時,會在黑洞吞噬外層物質之前,就將外層的部分物質拋射出去。而這些未被吞噬的物質,很快地就在新生黑洞的周圍吸積成為圓盤。

有沒有關於「母牛」的其他理論呢?

馬古蒂和她的同事,並不是唯一提出「母牛」擁有中心引擎的科學團隊。在另外一篇已經被《天文物理期刊》接受的論文中,另一組由美國加州理工學院的天文學家安娜.何(Anna Y. Q. Ho)所領軍的團隊,也得到了類似的結論。

但是,英國利物浦約翰摩爾斯大學的天文物理學家丹尼爾.柏利(Daniel Perley)在他的研究論文中指出,當原本就存在且質量相對較大的黑洞,吞噬了與太陽質量相當的恆星後,這樣的「潮汐力破壞事件」才會造就像「母牛」這樣的天體。當黑洞強大的重力撕裂恆星時,恆星的氣體可能會聚集在黑洞周圍,形成圓盤,並在過程中產生像是「母牛」那樣非比尋常的光芒。

問題在於,在星系外圍存在這麼大的黑洞,能否說得通呢?尤其是根據「母牛」的無線電波訊號來看,這個區域的氣體應該非常稠密。目前的科學理論認為,這樣大小的黑洞應該要在星團中才能形成,但星團中應該沒有太多額外的氣體才對。

馬古蒂認為,如果「母牛」周圍的團霧是巨大恆星所拋射出來的物質,而這顆恆星在之後會坍縮形成中子星或黑洞,那麼「母牛」所處的環境才更能說得通。不過,柏利指出,我們目前還沒有發現並研究過像他們團隊所提的那種質量規模的黑洞。因此,我們也無法斷定這個理論與是否與事實相符。

「馬古蒂的團隊有好幾位頂尖的超新星專家,但我希望能有專精於潮汐力破壞的天文學家加入,看他們能不能想辦法讓一切都說得通。」柏利如此表示。

凱克天文臺(WM Keck Observatory)的DEIMOS光譜儀器在2018年8月17日,拍攝到AT2018cow超新星和其宿主星系的影像。
PHOTOGRAPHY BY R. MARGUTTI/W.M.KECK OBSERVATORY

接下來會進行怎樣的研究?

對「母牛」進行更長期的觀測,將有助於揭露中心引擎的真面目。梅茨格認為,如果「母牛」的中心有顆磁化的中子星,可能會在幾年後發出X射線閃焰。但如果「母牛」的中心是個黑洞,就不會有這樣的閃光出現。

不過,了解「母牛」最有效的方式,就是尋找更多與之類似的天體。也是到最近,隨著更多的自動化望遠鏡和大尺度巡天項目開始運作之後,天文學家才有能力觀測到這樣的天體亮度暴增現象,並展開後續的即時追蹤觀測。

「對夜空進行巡天計畫,就像是拍電影一樣……實在是很讓人興奮。」梅茨格這麼說道:「我們不再把宇宙當成靜止的事物,而是非常活躍,甚至是在短短幾天的時間尺度內,也是如此。」

撰文:MICHAEL GRESHKO

編譯:林宇威

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(本文的網頁首圖Photo Credit : NASA Goddard Space Flight Center, via Flickr, CC BY-SA 2.0

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