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Jun. 01 2020

距離地球最近黑洞,原來就藏身這裡!

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  • 這張藝術家想像圖描繪出HR 6819三體系統中的天體運行軌道。這個系統的內側有一顆恆星(軌道以藍色顯示)和一個最近才發現的黑洞(軌道以紅色顯示),外側還有第三顆軌道較遠的恆星(軌道亦以藍色顯示)。ILLUSTRATION BY ESO/L. CALÇADA

  • 在這張由數位巡天2計畫(Digitized Sky Survey 2)所拍攝的廣視野影像中央,可以看到HR 6819恆星系統。這兩顆恆星的距離極為接近,看起來似乎合而為一。這個三體系統裡,隱藏著迄今發現距離地球最近的黑洞。IMAGE BY ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

這個大質量天體就藏身在肉眼可見的恆星系統之內。

這張藝術家想像圖描繪出HR 6819三體系統中的天體運行軌道。這個系統的內側有一顆恆星(軌道以藍色顯示)和一個最近才發現的黑洞(軌道以紅色顯示),外側還有第三顆軌道較遠的恆星(軌道亦以藍色顯示)。ILLUSTRATION BY ESO/L. CALÇADA

這張藝術家想像圖描繪出HR 6819三體系統中的天體運行軌道。這個系統的內側有一顆恆星(軌道以藍色顯示)和一個最近才發現的黑洞(軌道以紅色顯示),外側還有第三顆軌道較遠的恆星(軌道亦以藍色顯示)。ILLUSTRATION BY ESO/L. CALÇADA

南半球冬季的夜空中,頭頂的望遠鏡座(Telescopium)中有顆藍色光點閃爍不已。夜空中的這個小點看上去像是顆明亮的恆星,但其實是兩顆近距離互繞的恆星──再加上另一個目前已知距離地球最近的黑洞。

這個新發現的黑洞位於HR 6819恆星系統內,距離我們的太陽系約有1011光年遠。根據5月5日出版的《天文與天文物理學》(Astronomy & Astrophysics)期刊指出,這個不可見天體與另外兩顆可見恆星的軌道相同。科學家估計這個黑洞的質量約為太陽的4倍,比之前發現距離我們最近的黑洞還要近了約2500光年。

美國加州大學伯克萊分校的博士生卡里姆.巴德里(Kareem El-Badry)表示:「它似乎就藏身在眾目睽睽之下,」他的專長是雙星系統,但並未參與該研究。他說:「這個恆星系統的亮度夠亮,因此科學家從1980年代就開始研究它了,但看起來它似乎還隱藏了一些驚喜等著我們。」

在這張由數位巡天2計畫(Digitized Sky Survey 2)所拍攝的廣視野影像中央,可以看到HR 6819恆星系統。這兩顆恆星的距離極為接近,看起來似乎合而為一。這個三體系統裡,隱藏著迄今發現距離地球最近的黑洞。IMAGE BY ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

在這張由數位巡天2計畫(Digitized Sky Survey 2)所拍攝的廣視野影像中央,可以看到HR 6819恆星系統。這兩顆恆星的距離極為接近,看起來似乎合而為一。這個三體系統裡,隱藏著迄今發現距離地球最近的黑洞。IMAGE BY ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

以人類的尺度來看,1000光年的距離相當遙遠。如果把地球與太陽之間的距離縮短為頭髮的寬度,那麼 HR 6819恆星系統就在大約6.4公里之外。不過,從更大的尺度──直徑超過10萬光年的銀河系──來看,HR 6819恆星系統的距離相當近,而且這也顯示有許多黑洞散布在銀河系之中。

這篇研究論文的第一作者──歐洲南方天文臺(European Southern Observatory,簡稱ESO)的天文學家湯瑪士.里維紐斯(Thomas Rivinius)表示,「如果你發現了一個距離非常近的黑洞,而且你又覺得自己並不特別,那就表示一定到處都有黑洞存在。」

與恆星一同打轉的黑洞

黑洞是一種非常緻密的天體,它的重力場十分強大,甚至連光線都無法逃脫。天文學家一直都估計有好幾億個黑洞存在銀河系之中,但是要找到這些黑暗的天體卻極為困難。科學家發現銀河系裡有幾十個黑洞在「吞食」附近的氣體團塊,這些物質繞著黑洞邊緣打轉時會釋放出X射線。但是,銀河系裡的大多數黑洞是看不見的。因此,要發現它們的唯一方法,就是觀測周圍天體的重力效應。

其實研究HR 6819恆星系統的天文學家一開始根本就沒有要尋找黑洞,他們只是想深入了解這對彼此互繞運轉的奇特恆星。

較外側的恆星是顆Be星,它的質量比太陽還要大上幾倍,溫度更高,顏色也更藍。這顆恆星赤道的自轉速度超過每秒482公里,比太陽赤道的自轉速度還要快200多倍。里維紐斯說:「它們的自轉速度非常快,恆星上的物質差一點就要飛出去了。」

將時間倒轉回到2004年,當時天文學家利用智利拉西拉天文臺(La Silla Observatory)2.2公尺口徑的MPG/ESO望遠鏡,對HR 6819恆星系統進行了為期四個月的觀測研究。他們發現有些跡象顯示這並不是個標準的雙星系統,「正常的」的內側恆星似乎以40.3天的週期繞著另一個天體運轉,而較大的Be星以更遠的軌道距離繞著內側恆星與神秘的第三個天體運行。

五年後,歐洲南方天文臺的斯坦.斯特夫(Stan Štefl)率隊重新審視這次的觀測結果,其中就隱藏著黑洞藏身HR 6819恆星系統的線索。但斯特夫於2014年不幸因車禍過世,讓這項研究工作陷入停滯。

2019年11月,曾與斯特夫長期共事的Be星專家──里維紐斯找到了重新觀測HR 6819的新理由。另一個團隊發表的研究宣稱在LB-1恆星系統中發現了一個70倍太陽質量的黑洞,這個發現讓人跌破眼鏡。根據物理學家對恆星質量級黑洞形成的認識,黑洞是由大質量星發生超新星爆發後所形成的──如果是這樣的話,應該不可能有70倍太陽質量的黑洞形成。當足以產生如此大質量黑洞的恆星死亡時,爆炸產生的殘骸並不會往回掉落。

然而,里維紐斯的團隊留意到, LB-1恆星系統的觀測數據與HR 6819恆星系統極為相似。因此他們開始描述HR 6819恆星系統中第三個謎樣天體的特徵。根據對內側恆星公轉軌道及亮度的計算,他們發現這個不可見天體的質量起碼是太陽的4.2倍──與銀河系內其他已知黑洞的質量差不多。

↑↑↑↑↑101科學教室:神祕黑洞

看不見的目標

這篇研究論文的共同作者──歐洲南方天文臺的榮譽科學家迪特里希.巴德(Dietrich Baade)認為,如果這個天體的質量約為太陽的四倍,那它就不可能是顆普通的恆星,因為那麼大的恆星會「非常容易探測到」。此外,這個天體的質量也太大,不可能是顆中子星(由某些超新星爆發後留下的恆星核心)。

只有一種天體能解釋這個計算結果:黑洞。

但巴德里表示,所有對像HR 6819這類包含多個近距離天體恆星系統的研究,都得要應付一些潛在的誤差來源。HR 6819外側的Be星和內側恆星之間的距離太近了,無法使用任何的光學望遠鏡將它們解析開來。只有藉由這兩顆恆星所發射出的不同光譜,才能分辨出它們。

有時候,較老恆星外層的氫「剝離」後,會與更年輕、質量更大的恆星看起來很類似。如果HR 6819系統的內側恆星就是這種狀況,那麼研究人員就得重新計算這個假想黑洞的質量。

在後續的研究中,論文共同作者彼得.哈德拉瓦(Petr Hadrava)帶領研究者努力「解開」HR 6819系統發出的光線,釐清這兩顆恆星的準確光譜,以確定它們的特性。巴德里補充道,歐洲太空總署(ESA)的蓋亞(Gaia)太空望遠鏡正在以前所未有的精度觀測銀河系,這可以提供有關HR 6819系統內天體公轉軌道的更多細節。由於這個恆星系統與我們的距離非常近,天文學家可以利用一種稱為干涉法(interferometry)的技術,結合許多望遠鏡的觀測資料,來精確地分辨出這兩顆恆星。先前科學家也是用這種技術,以望遠鏡網路拍攝超大質量黑洞的輪廓。

「通常,如果在黑洞周圍有顆恆星時,我們其實看不到恆星繞著黑洞運轉,」這篇論文的共同作者──歐洲南方天文臺的博士後研究員瑪莉安.海達(Marianne Heida)表示,「但這個系統與我們的距離這麼近,我們應該能夠看到它的運動……這代表如果一切順利,我們就能更精確地掌握黑洞的質量。」

研究人員正在規畫接下來該如何繼續進行研究,它們也將這份榮耀歸給斯坦.斯特夫,因為他是一開始推動發現這個黑洞的主要力量。「斯坦非常小心謹慎,」里維紐斯微笑著說,「他可能現在就在看著我,然後問我:你真的確定嗎?」

 

延伸閱讀:人類首次拍到黑洞,到底看到了什麼? / 神秘重力波顯示,我們可能首度目擊黑洞吞噬死亡恆星

SEP. 2020

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