【博評】William:黑洞三連-宇宙最大流浪黑洞「撞」出新星系?

2023-02-27 23:00:04 最後更新日期:2023-02-28 21:24:09
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

黑洞 動態根據近年拍得的黑洞無線電波照片摸擬的超大質量黑洞近影。(網絡圖片)

 

由於重力波及各類非可見光天文學近年發展迅速,且黑洞現在也被認為對形成宇宙早期天體甚至星系本身都是關鍵要素。天文學界的黑洞研究似乎有漸變成「顯學」的形勢,研究也愈來愈多,例如最近十天天文學界已出現三篇比較重要的黑洞研究論文,算相當密集了。

X7locationnearblackholeAnnaCiurloUCLA bf41ad7c 0137 41f8 a6d8 8cc42da52764 prv銀心附近邊長0.27秒差距(約1光年)的多種紅外線組合照片,留意X7的長度還是頗為誇張的。要留意的是下文提到的GCIRS 13E星團剛好就在照片右下側一大團光斑中。(圖片來自論文)

 

被銀河中心黑洞狂扯的極超大「類彗星」?

第一個是銀河系中心的兩項研究,首先有天文學家發現銀河系近中心黑洞位置出現一條長條形的氣體雲,其一端直指向銀河核心的人馬座A*(即銀心大質量黑洞的代號)。氣體長度接近3000天文單位(相當於18光日)的距離。事實上,這類事情並不算罕見,大約12年前天文學家就發現銀心黑洞附近至少3片大型氣體雲高速公轉,分別是G1、G2及G3。有指這三團雲其實都是三顆環黑洞公團的紅巨星的氣殼 / 塵埃殼,而X7有可能是其中一個氣殼噴出來的「東西/塵埃雲」。

STScI 01EV參考過去的照片,X7雲團在17年內有明顯的位移。中圖是經由電腦模型猜測這17年間的相對長度與位置變化。若果X7雲團是受「黑洞風」的影響,就算軌道平面向著地球,尾部氣流角度仍沒有什麼變化就似乎說不通。右圖是X7雲團和G3軌道的比較,似乎有較高重疊率。G3雲團實際是什麼,現時仍眾說紛紜,但有個說法指雲團中間可能是個星體之類。(圖片來自論文)

 

事實上,X7在20年前已經被發現,不過當時外形更像穹形,故當時只懷疑是另一個繞黑洞運行的恒星的穹形震波而已,至近年發現該星和X7的運行方向不同,才意識到X-7是另外的天體。科學家對於雲團拉長的原因有多種看法,一派認為是受到銀河中心黑洞的引力影響,這片長條狀雲有可能在之前幾次公轉至離黑洞最近時,被潮汐力硬生生拉扯成長形且愈拉愈長的;另一個則是指銀心黑洞的高熱旋轉雲盤其實會「吹起」類似恒星風的東西,X7是被恒星風吹到拉長的,情況和彗星相當類似。

科學家暫時知道X7大約有60個地球質量,實質是什麼還是不明瞭。由於X7有可能是銀心3光年內各類密集天體的交互作用成果,事實上甚至有可能是其中一個恒星給拋出來的「原行星」,在進入環銀心黑洞的軌道中,被黑洞吹出的恒星風「烤炙」成彗星的模樣,另外還有強力磁場影響之類,暫還未有對這筆直雲柱有確切答案。無論如何,這也反映出銀心區極度混亂,甚至比三體問題亂100倍以上的程度。

無論如何,它下個「近銀心點」在2036年左右,其氣體尾指向的方向將可解釋到其本質究竟是什麼。

the tadpole這團銀河核心附近約3光年長、呈蝌蚪形的份子雲暫時沒有名字,其外形更像掠過大質量天體時給拉長。不過現時天文學家還未確認把它扯成這樣的天體是什麼,只計出這個看不到的天體大約1萬個太陽質量。(網絡圖片) 

 

發現具更有力證據的中等質量黑洞?

第二個發現也和銀心有關,不過可能更有影響力,那就是銀心中可能有另一個大質量黑洞,也可能是第一個在銀河系內發現的巨無霸「中等質量黑洞(Intermediate-mass black hole)」。日本慶應義塾大學的天文學家金子美由紀等人在觀測距離銀心15光年外一片分子雲(大約是X7距銀心距離的15-20倍)時,發現該分子雲似乎因為強大的潮汐力被拉扯成蝌蚪形且似乎圍繞著一個質心公轉中。經由距離及粒子雲的質量與速度,大致可以計算質心的質量大約10000個太左右。然而那區域中心沒有光源也未探測到任何輻射,單憑質量而言也只可能是黑洞之類的緻密天體而已。

the tadpoleA1左圖為氣雲團相對於銀心的位置。這團給扯成蝌蚪狀的雲團距離銀心大約15-20光年,大小為1秒差距(3.26光年)。右圖是經觀測的雲團當中不同位置的移動速度,當中黑點為預期的質量中心(黑洞所在位置?),紅點為整個軌道的拱點。由測得速度推斷,雖然雲團距離質心至少一半至兩光年,但環繞速度仍相當高。(圖片來自論文)

 

理論中的黑洞大約可分為四種:原初黑洞、恒星質量黑洞、中等質量黑洞與星系中心超巨大黑洞。至現時為止人類還未找到原初黑洞,第二及四種則是已確定存在,但中等質量黑洞在可觀測宇宙中現時只找到少數候選名單,銀河系甚至只有1個比較明確候選者—同樣位於銀心附近的GCIRS 13E星團核心,不過這個「候選者」因為混在一個相當集中且有不少大質量恒星的星團中,觀測非常困難,故真正身份也一直受很大的質疑。

519f6d62銀心可說是銀河系中星體及能量活動最激烈的區域,尤其中心0.15光年內竟然有超過20顆大質量恒星環繞。右為GCIRS 13E星團相對於銀心的位置,當中有四個巨型恒星和15團高密度氣雲呈密集分佈,有些研究指其中間有一個約1000太陽質量的黑洞,但因為在如此密集的星團中竟然沒有強烈X射線源和無線電波源,所以其假說一直受人質疑。(網絡圖片)

 

 

關於中等質量黑洞的來源仍有很多不清楚的地方,有指可能是球狀星團內的大質量恒星塌縮成黑洞後,也因為距離太近而在較短時間內互相吞噬成巨型版恒星黑洞;又有些則指是這些黑洞原本也是矮星系的中央黑洞(例如恒星數目只有銀河系10%的三角座銀河M33,中央就只有一個3500倍太陽質量的中等質量黑洞),在星系合併過程中矮星系的氣體和星星被大星系「搶光」後,殘餘的黑洞很大機會也會在銀河中心附近「滯留」。由於所有物質不是被「扯」光就是被「吞」光,沒有東西可以再吸,要在星系中心發現這種級數的黑洞也極度困難。

 AdVgb112CG畫家筆下由自己激烈活動中產生的新生星系「撞」出來的超大質量「流浪黑洞」。(網絡圖片)

 

史上最大流浪黑洞?

也是上星期,一班天文學家發表一篇尚未經同儕審查的研究報告,指出75億光年外尚在合併中的矮星系RCP-28,突然有個黑洞由星系中以極高速度「衝出來」,距離原星系已達20萬光年,其衝擊波甚至引發沿路的星際氣體壓縮並產生新恒星及發光星雲。令人驚奇的是,衝出來在宇宙流浪的黑洞並不是一個恒星型黑洞,而是一個質量比銀河中心黑洞大5倍、達到2000萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

AdVgbVEDMjYftePo2D4qUg天文學家模擬超級流浪黑洞被逐出RCP-28星系核心及一頭撞進份子雲的模擬片段。(圖片來自論文)

 

銀河系內事實上已發現相當數目以不正常高速運動的黑洞,它們很大程度上都是「三體問題」的結果:原本的黑洞-恒星雙星系統因為有另一個恒星闖入(尤其是該恒星天體質量十分大,甚至可能也是個黑洞),發生軌道不穩定現像,黑洞可能因為額外的重力加速而獲得逃離原有系統的速度,成為一個在星際間橫行的流浪黑洞;另一個可能是黑洞-恒星雙星系統的恒星因為超新星爆發而損失大部分質量,令黑洞原有的動能足夠擺脫大減的恒星引力而「流浪」。

AdVgb11哈勃望遠鏡拍攝到該流浪黑洞不斷狂奔並衝擊星際間份子雲、加速形成新恒星甚至新星系的情況,這黑洞的母星系是在最左圖的右上角位置的光點,當中的標尺單位Kpc是千秒差距,即3216光年。右圖是放大後的雲柱,當中出現明顯的間隔,明顯每個雲團都是超大質量黑洞吸積盤爆炸後所形成的。這串雲柱的星爆活動甚至比一般星爆星系(starburst galaxy)都要強很多倍。(圖片來自論文)

 

天文學估計今次也是出自同樣的「三體問題」,但所涉及的星體全都是超大質量黑洞:RCP-28原本是兩個矮星系尚在合併中的星系,當時該星系兩個超大質量黑洞已經組成一個雙黑洞系統,但中途另一個矮星系再合併進來,其超大質量黑洞也闖進星系核心,組成三聯黑洞。然而在一番「三體」糾纏後,三個黑洞中較輕的因為獲得更大的引力加速度而被直接踢出系統。我們現時已無法得知這個「流浪黑洞」原屬哪個系統,只知它現在以每秒超過1600公里的高速穿越星際份子雲,就現時天文觀測史上速度排行第二,第一位還是時速達2000公里/秒的3C186,問題是RCP-28的黑洞比3C186大足足20倍……

STScI 01EVT9PSWH8GF22142DH8Q2BWT哈勃太空望遠鏡(左)及史匹哲紅外望遠鏡(右)拍攝到的M82星爆星系畫面,其產生恒星速度大約是現時銀河系的30倍。星爆現象可以由連續超新星爆發、銀心黑洞相對論性噴流和熱氣體的擠壓等所造成,但因為由超大質量黑洞「撞成」,恐怕是第一次發現。

 

另一方面,那些在流浪黑洞身後出現的衝擊波與星爆現象,也有可能來自黑洞衝進份子雲後吸入部分氣體並引發吸積盤爆炸,壓縮星際塵埃並引發星爆現像。這裏亦有個很有趣的地方:以上現象均是發生於75億年前,當時只是宇宙大爆炸後60多億年左右,宇宙加速膨脹尚未開始,即當時宇宙直徑可能就只有120億光年左右(對比現時加上共動距離,可觀測宇宙直徑為930億光年),充斥在空間中未形成星系的氣體物質仍然不少而且密度也大到和一般星系中的星雲差不多,結果這個黑洞衝出去還未夠10萬光年就撞上另一堆氣體雲中並立即形成星爆現象。另外不得不提一下的是,這樣撞進星際塵埃雲,隨時可讓該雲團提早形成新星系。

發佈於 博評
By 2023-02-27

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