天文太空

黑洞進食秀

新的觀測技術讓天文學家可以目睹黑洞澈底撕碎恆星的完整過程,有機會揭開星系中心黑洞的神秘面紗。

撰文/森科(S. Bradley Cenko)、蓋瑞斯(Neil Gehrels)
翻譯/李沃龍

天文太空

黑洞進食秀

新的觀測技術讓天文學家可以目睹黑洞澈底撕碎恆星的完整過程,有機會揭開星系中心黑洞的神秘面紗。

撰文/森科(S. Bradley Cenko)、蓋瑞斯(Neil Gehrels)
翻譯/李沃龍


在銀河系與幾乎所有大星系的中心都藏了宇宙最深奧的秘密──超大質量黑洞。這類天體神秘又詭異,竟能在比太陽系還小的區域,擠入數百萬到數十億太陽質量。至今科學家尚未明瞭,大自然究竟如何把大量物質壓縮進這麼小的空間,目前知道的是,超大質量黑洞透過無形的重力場,以深遠且奧妙的方式影響周遭的星系。科學家研究這些鬼魅般黑洞的成長與特性,希望能解開星系誕生與演化的秘密。


麻煩的是黑洞不發光,對我們而言,超大質量黑洞大多時候低調蟄伏,只有當它們「進食」時才活躍起來。但周遭穩定繞行的氣體、塵埃與恆星永遠不會落入虎口,因此供超大質量黑洞食用的天體非常稀少。不過,這些黑洞總是飢腸轆轆,每當體積稍大的天體恰巧掉入其中,我們便能在非常遙遠的地方,觀賞一場瘋狂進食秀。


半世紀以來,科學家大多只觀測到一種正在進食的黑洞:類星體(quasar)。天文學家施密特(Maarten Schmidt)於1963年首次發現這種天體,它們位於活躍星系中心,發出的光比數十億顆太陽還亮,即使在可見宇宙邊緣也能觀測到。一般認為,當大質量氣體雲和塵埃在黑洞的血盆大口前繞行數十萬或數百萬年,遭受推擠、加熱並發光,最終衝向超大質量黑洞時,即形成類星體。不過,想要觀測黑洞進食,類星體並不是理想目標,它們通常距離我們遙遠且罕見,更何況相對於超大質量黑洞的壽命,這些極端事件相當短暫,天文學家難以全面了解超大質量黑洞在局部宇宙中規律進食與成長的過程。另外,研究人員也觀測超大質量黑洞周遭疾速掠過的恆星,記錄其繞行速度,但受限於目前望遠鏡的解析度,這些測量只能在目標天體位於銀河系或鄰近我們的星系時才能進行。


1988年,天文學家芮斯(Martin Rees)提出第三種研究超大質量黑洞的方法,最近剛開始獲得成果。天文學家除了觀測類星體的穩定光輝或測量恆星繞行黑洞的速度,也可以搜尋黑洞周遭短暫發出的炫目閃光,這種現象稱為潮汐裂解事件(tidal disruption event, TDE),肇因於超大質量黑洞吞食一顆運氣不佳的恆星。由於整個事件僅歷時幾個月而非數千年,研究人員可以觀測完整的黑洞進食過程,加上閃光夠耀眼,無論TDE近在咫尺或遠在天邊都可觀測到。


如何撕裂一顆恆星


TDE雖然引人注目,但本質上與海邊捲走浴巾的溫和潮水沒有太大差異。地球的潮汐現象主要源自月球對地球近月側的重力較強,月球重力在地球近月及遠月兩側的差異稱為潮汐力。潮汐力引發地球遠近兩側海水漲潮,並在垂直地月軸線的海面產生相對的落潮。當恆星出現在超大質量黑洞周遭(或許是被另一顆恆星的重力推向黑洞),強大的潮汐力就能撕裂這顆恆星。


詳細過程取決於這顆墜落恆星與超大質量黑洞的大小。相較大而蓬鬆、類似太陽的恆星,白矮星這種小而緻密的天體更能抗拒潮汐力,就如同保齡球比棉花糖更難撕裂。數十億太陽質量的最大型超大質量黑洞其實不容易引發TDE,它們在潮汐力強到足以撕裂恆星前便一口吞掉恆星。相反地,當恆星距離數百萬太陽質量的黑洞不到5000萬公里(相當於水星和太陽間的距離),就會受潮汐力影響而崩解。


雖然一顆恆星完全崩解看似無比壯觀,但這只是煙火秀的開始。最初恆星被撕裂後,殘骸逐漸從運行軌道上散落。從基礎軌道力學可知,殘骸中大約一半物質呈長條狀拋出黑洞周遭區域,另一半則向黑洞繞行成為吸積盤──物質逐漸注入黑洞的漩渦構造。當吸積盤物質墜入時,受重力與摩擦力推擠而加速至接近光速,並且加熱至大約25萬℃。典型的TDE會持續數星期到數個月,短暫照亮蟄伏隱形的黑洞,讓星系中每顆恆星都相形失色。


從舊數據中發現TDE


雖然理論學家數十年前便已經預測TDE存在,但直到1990年代與2000年代初期,天文學家才偵測到這類事件。延宕這麼久的原因之一是TDE非常罕見,據估計,在銀河系這樣的星系中每10萬年只發生一次TDE。此外,它們也不容易觀測,在簡單的理論模型中,TDE吸積盤發出的光應該在電磁頻譜軟X光或遠紫外光波段達到亮度高峰,不過由於星際塵埃與地球大氣的干涉作用,在地表很難觀測這些波段。天文學家也從相同的模型中發現,藉由TDE可更精確估算超大質量黑洞的質量,這是了解黑洞體積如何影響其特性與周遭星系的關鍵數據。天文學家只要直接量測TDE多久達到亮度高峰(這代表吸積盤形成與黑洞吞食的速率),便可得知黑洞的質量。相較於其他已知的天文現象,TDE相當明亮,研究人員可以精確測定超大質量黑洞的質量範圍。


TDE首例可能是從侖琴X光望遠鏡(ROSAT)與星系演化探測衛星(GALEX)的紫外光太空望遠鏡的數據中發現,原先歸類為安靜的星系中心發生數星期到數個月的閃光事件。這些發現先前預測的第一個實證,對於建立一門全新領域來說特別重要,但由於都是從舊數據中所發掘,天文學家無法及時以多波段觀測,進一步揭露其中奧秘。天文學家必須非常幸運,或是能持續搜索廣大天區,才能在TDE發生當下捕獲蹤跡。


機緣巧合,過去十年資料儲存與感測器技術持續進步,使這類雄心壯志的探索計畫有機會實現。現在高階光學相機一次能拍攝一平方度或範圍更大的天區,就好比多年來我們僅能以管窺天,忽然間便可以利用全景鏡頭看天空。天文學家現在藉由反覆搜索大範圍天區,並以電腦接合觀測影像,可以梳理出暗淡、短暫的特殊事件,更容易找到並研究TDE以及其他瞬變現象。一些針對廣大天區的探索計畫,原本用來辨識超新星以及小行星,例如泛星計畫(Pan-STARRS)、帕洛瑪瞬變事件巡天計畫(PTF)和全天自動搜尋超新星計畫(ASAS-SN),但現在有更多用途,這些計畫能夠在一個晚上記錄數百萬個星系,正好適合尋找TDE這樣特殊的瞬變現象。


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