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香港輕新聞特約編輯,軍武 / 科普愛好者
刻劃3DHST-AEGIS-12014小紅點/小X射線點實際外觀的圖畫。這裏是表示內層開始變得稀薄,中央黑洞可以勉強見到的地步。(NASA/CXC/SAO/M. Weiss; adapted by K. Arcand & J. Major)
小紅點(Little Red Dots, LRDs)是近兩至三年天文學界的重要話題之一,這種小天體大約於宇宙4-9億年年齡期間大量出現,至宇宙年齡大約20億歲時就基本消失。小紅點有幾個可能的解釋,最主要是非常早期的巨大黑洞加上聚集在周圍的大質量氣體雲,由於氣體雲由數千萬倍至數億倍太陽質量,聚集在較大型的原初黑洞周圍,中心部分的會落入黑洞令其不斷壯大,周圍的在壓縮下可能進一步形成第一代恒星,這可視為星系的最雛形。然而若是這樣,超大黑洞的X射線卻基本沒被天文學家監測到,這就讓人很困惑了。
分別由哈勃/韋伯望遠鏡及錢德拉X射線望遠鏡拍到的3DHST-AEGIS-12014小紅點/小X射線點的光學與X射線照片,其X射線照片顯示強度相當高。(圖片來自連結)
普林斯頓大學天文學家安迪古爾丁( Andy Goulding)近日發表聲明,指出距離地球118億光年(很巧的是,就大約宇宙年齡20億歲時)的3DHST-AEGIS-12014小紅點和一個曾經被錢德拉天文望遠鏡觀測過的X射線源(類星體/超大質量黑洞?)在同一位置上,兩者有很大機會是同一個星體。這似乎是暗示著一個情況:小紅點的核心其實就是大號的原初黑洞,外面包圍著宇宙早期形成且被黑洞吸引的星際氣體如氫/氦;另一方面,錢德拉X射線望遠鏡也紀錄到X射線的閃爍變化,有可能是吸積盤(Accretion Disk)中厚薄不一的物質被拖曳旋轉的結果,這也間接證明這個X射線源就是黑洞。
索恩-祖特闊夫天體在外形上雖然是恒星,但其實是雙星中的中子星與巨大恒星融合後的非典型恒星,中子星的超高引力雖然會吸引物質掉落中子星,但掉落的能量與擠壓的物質所帶動的猛烈核反應又會避免恒星塌縮成黑洞。不過中子星的進入軌道和雙星的質量差必須恰到好處,否則可能拆掉另一顆恒星或者直接塌縮成黑洞;另外這種超頻發光的恒星,殘餘壽命可大幅縮短,以致現在都未能找到一個可證實的索恩-祖特闊夫天體,頂多只找到一個將來有機會變成這種天體的雙星系統。(網絡圖片)
有人將這個情況稱為「黑洞星」,黑洞星概念其實有點像一個早期天文學假想天體:索恩-祖特闊夫天體(Thorne–Żytkow object / TŻO,當中的索恩就是諾貝爾物理學獎得主及《星際穿越》中的物理學顧問)。這種天體是雙星中一個大型恒星演變成中子星後,因為軌道關係進入另一個恒星中間,並成為其核心。由於中子星有極端密度,物質跌落中子星的強力位能加上中子星附近高密度物質的猛烈撞擊引發的核聚變,可以代替原有核心的能量並繼續維持恒星發亮(當然,似乎會比之前更猛烈)。
這個黑洞星的特點和索恩-祖特闊夫天體有不少相似的地方,只是規模大得多得多。較大質量的原初黑洞可吸引早期宇宙中更多更濃密的氣體,質量可能達數百萬至上億太陽質量,一旦積聚後,近中心部分的氣體會落入黑洞,同時形成吸積盤。在吸積盤強烈磨擦和壓縮過程(可促成聚變)中,都會形成巨大的能量和X射線,不過由於周邊氣體過於濃密,可以吸收幾乎所有的能量和X射線,並令氣團漸漸加熱,就像恒星一樣幅射熱能,整個氣團的表面可加熱至1700-2700度,有點像非常巨大的暗弱紅矮星,所以有人稱這種超巨型恒星為「黑洞星」。
這四年天文學家找到小紅點接近350個(還有1000個左右尚待確認),但其紅移值普遍集中在5-8的水平,大約是宇宙年齡5-18億年左右,但由25億年(約紅移值4以下)開始,就只發現了大約10-15個。圖片來自論文The X-Ray Dot: Exotic Dust or a Late-stage Little Red Dot?
原初黑洞很可能在宇宙第一秒前就形成,然後開始吸引附近物質的話,很可能在3-4億年內就形成足夠大的黑洞星,甚至可能1億年內就開始形成了(例如號稱紅移大於30,即大約相當於宇宙年齡9千萬年的Capotauro)。形成後就開始猛烈吸收物質並將整個「小紅點」加熱。假若吸積速度較快,例如每年可吸入0.1-0.5倍太陽質量,那運行10多億年後就足夠消耗1億至5億以上太陽質量的氣體,加上外圍氣體也有機會漸漸演化成恒星,這時間點的氣體可能已稀釋到不能吸收太多X射線,最終讓中心的黑洞/類星體暴露出來,3DHST-AEGIS-12014小紅點應該就處於這一演化階段末期,過了這階段,若不是所有東西都被吸進中心黑洞而形成超大型黑洞,小紅點就應該完全兌變成早期星系了(當然,中心還是大小不一的超大型黑洞)。
2021年才發現的一個原初星系所組成的星系團,大約於宇宙創生後7.5億年形成,有可能也在開始合併成大星系的早期階段。這些星系很可能是早期小紅點演化而來的,而且應該是早期較快演化完成的。(圖片及資料來自連結)
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