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May. 10 2021

發現距離地球最近黑洞!

  • 在距離地球約1500光年外,有個小型黑洞繞著一顆紅巨星運行,天文學家藉著黑洞拉扯紅巨星的重力而發現了這個看不見的天體。ILLUSTRATION BY LAUREN FANFER AND OHIO STATE UNIVERSITY.

    在距離地球約1500光年外,有個小型黑洞繞著一顆紅巨星運行,天文學家藉著黑洞拉扯紅巨星的重力而發現了這個看不見的天體。ILLUSTRATION BY LAUREN FANFER AND OHIO STATE UNIVERSITY.

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這個暱稱為「獨角獸」的奇特天體是目前發現的最小黑洞之一,可能有助於解決長久以來的天文物理之謎。

最小的黑洞有多大呢?為了回答這個問題,天文學家數十年來一直試圖盤點我們附近的黑洞。

他們發現了很多大型和中型黑洞──包括銀河系中央的超大質量黑洞,但在這之前卻一直未曾發現小型黑洞的跡象,這也成了天文物理學領域長久以來的未解之謎。

最近,天文學家發現了目前為止最小的黑洞:質量只有太陽的三倍──而且它與地球的距離只有1500光年,也是離我們最近的黑洞。

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這個發現「代表只要擴大搜尋的範圍,我們就有可能發現更多小型黑洞,」俄亥俄州立大學的天文學家塔林杜.賈亞辛格(Tharindu Jayasinghe)表示,他是《皇家天文學會月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)所刊載最新研究的第一作者,這次發現「將推動科學家去尋找這些天體系統」。

賈亞辛格和他的同事把這個黑洞命名為「獨角獸」(Unicorn),部分是因為這是個獨特的黑洞,部分則是因為它的位置在麒麟座(Monoceros)內──古代天文學家以獨角獸的希臘文為這個星座命名。研究人員希望能藉由獨角獸和其他類似天體的研究,更清楚地了解恆星在生命終結時會發生什麼事,為什麼有些恆星會坍縮成黑洞,有些則是成為稱為中子星的緻密恆星外殼。

↑↑↑↑↑101科學教室:神祕黑洞

搜尋看不見的黑洞

連光也無法逃脫黑洞的重力,因此我們只能以間接的方式偵測黑洞。黑洞吸積伴星(companion star)物質時會釋放出X射線,而大多數的已知黑洞就是藉由搜尋這種X射線射線而發現。黑洞周圍有個稱為「吸積盤」(accretion disk)的緻密環圈,物質會在此處升溫,並發出X射線望遠鏡可以偵測到的輻射

但天文學家家是用另一種方​​法發現獨角獸的。賈亞辛格的團隊利用多個天文臺的數據,測量紅巨星麒麟座V723的亮度和光譜的週期性變化。數十年來,天文學家一直在用這樣的觀測方法,來尋找很難直接觀測到的系外行星

研究團隊推測有個看不見的伴星在拉扯著這顆紅巨星,讓它變成了水滴形。數據能夠讓我們得知兩個天體的質量總和,如果這顆恆星的質量比研究團隊所估計的更大,那麼這個看不見的天體可能是顆中子星,但他們認為它很可能是個小型黑洞。

雖然獨角獸正在改變紅巨星的形狀,但它卻沒有從這顆伴星吸積物質。這代表沒有吸積盤,因此也沒有X射線,這就是為什麼我們一直到現在才發現它的原因。這種「安靜的」黑洞沒有釋放出X射線,這或許解釋了為什麼至今很少發現小型黑洞。

質量比太陽大五倍的黑洞很多,但比這小的就很少了。天文學家對缺少小型黑洞的現象感到相當困惑,並將之稱為「質量間隙」(mass gap)。

填補質量間隙

在發現獨角獸之前,科學家就已經提出幾個有可能位在黑洞質量間隙內的天體。同一團隊在2019年宣布發現了一個圍繞巨星運行的暗天體──但是他們對這個天體質量的估計不太精確,他們得到的結論是這要不是個黑洞,要不就是個「質量大到出人意料的中子星」

去年,另一個團隊宣稱他們發現了距離地球約1100光年的三星系統,其中有個四倍太陽質量的黑洞圍繞兩顆恆星運行。如果這個系統中真的有黑洞存在,那麼它將是目前已知距離地球最近的黑洞,但之後有其它研究對這個發現提出了質疑。

雷射干涉重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,簡稱LIGO)等重力波探測器也帶來了更多振奮人心的結果。2019年,天文學家觀測到由兩個天體碰撞產生的重力波源GW190814,其中一個天體只有2.6倍的太陽質量──代表它可能是顆非常重的中子星,或者是已知的最輕黑洞。此外,在2017年也觀測到兩顆中子星融合產生了約2.8倍太陽質量黑洞的重力波事件。

可惜的是,天文學家很難對藉由重力波探測到的天體進行長期的研究。它們通常位於銀河系之外,這代表天文學家只有在重力波爆發的短暫瞬間,才能研究它們。在這之後,它們就永遠消失無蹤了。

另一方面,獨角獸就在我們的星系之內,天文學家能夠在之後的數年時間裡研究這個天體。「這顆伴星是顆距離我們很近的紅巨星,這個事實讓觀測結果更加準確、可靠。」並未參與此項研究的西北大學天文學家維琪.卡洛耶拉(Vicky Kalogera)說。

時空坍縮

天文學家希望能夠藉由研究獨角獸和其他類似的天體,而更瞭解黑洞和中子星形成的物理原理。這兩種天體都是在恆星核燃料耗盡、生命結束時形成的,但它們會變成哪一種天體,取決於恆星的質量。

如果恆星的質量比太陽略大一點,那麼它會經歷超新星爆炸(supernova)。剩餘的部分會在重力作用下,被壓縮而形成中子星。這種天體非常緻密,內部的物質像是原子核一樣被緊緊地擠在一起。

如果天體比太陽重得多,那麼它會在重力作用下進一步坍縮而形成黑洞。雖然恆星可能已經存在了1000萬年之久,但最終的結局往往僅在一瞬之間。

「恆星的命運在1到5秒之內就已經決定:是超新星爆炸,產生中子星,還是坍縮形成黑洞,」獨角獸黑洞論文的共同作者、俄亥俄州立大學的天文學家托德.湯普森(Todd Thompson)說:「可能還有種介於之間的狀況,發生了一點爆炸,但仍有物質往回掉落而形成黑洞。所有的一切都在很短的時間內發生。」

研究人員面臨的一個難題,是無法直接研究相關的物理特性。「我們仍未完全理解物質在原子核密度下的情況,」卡洛耶拉說:「這是天文學遇到的挑戰:我們無法在實驗室裡模擬這樣的密度。」

像獨角獸這樣的小型黑洞,或許能幫助科學家解開這個宇宙難題。

歐洲太空總署(European Space Agency)的蓋亞(Gaia)探測器公布更多數據後,情況或許會更加明朗。這項計畫的目的是精確測繪天空的恆星位置,也許會發現更多小型黑洞拉扯伴星的現象。

天文學家也很期待史隆數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey)下次發布數據,這項計畫利用位於新墨西哥州的望遠鏡精確觀測數百萬個天體,因此有可能會發現天體被看不見的伴星拉扯所產生的運動。目前智利正在建造的薇拉.魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)也可能會發現小型黑洞。

有了更多數據之後,天文學家想知道,缺少小型黑洞的現象是否能為恆星物理學帶來新的研究方向──又或者小型黑洞其實遍布整個星系,只是因為我們才剛找到搜尋方法,因此現在還沒發現它們。

 

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

JUN. 2021

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