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銀河系中心黑暗秘密:超大質量黑洞Sgr A*

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銀河系中心存在著超大質量黑洞。(圖/fatcat11繪)銀河系中心存在著超大質量黑洞。(圖/fatcat11繪)
 
我們的銀河系中心區域是個活躍的場所,除了濃密的分子雲與星團聚集之外,還居住了一個約有四百萬個太陽質量的黑洞。這個超大質量黑洞經由重力對周圍的影響範圍(sphere of influence)約是黑洞本身大小的百萬倍,黑洞能在這區域中用重力束縛物體的運動,並能影響經過這區域的物體。天文物理學家就是根據僅有黑洞才能造成的特殊效應,推論出銀河系中心有個超大質量黑洞。天文學家發現,幾乎每個星系的中央都存在著超大質量黑洞(具有數百萬到數十億個太陽質量),而我們銀河系中心的黑洞是離我們最近的超大質量黑洞(註1)。
 
放眼望去,離地球約2萬6000光年的銀河系黑洞所能造成的影響範圍在天空中約是一個角秒(1角秒 = 1/3600角度)。從以下圖1來看¹,天文學家經由長年觀測在此範圍內的天體運動,發現這些恆星們的軌道都有共同的焦點,這意味著有個相當大質量的天體用重力約束這些恆星的運動。這些恆星中尤其重要的是一個稱為S0-2的恆星,其軌道半徑最接近於銀河系中心,因此可以推斷此天體至少必須比S0-2的軌道半徑小。一個超大質量黑洞是最能符合此兩項要求的「合理」解釋。自1990年代起,利用先進方法長期觀測銀河系中心恆星運動的兩位天文物理學家美國加州大學洛杉磯分校的Andrea Ghez 和德國馬克斯-普朗克地外物理研究所與美國加州大學柏克萊分校的Reinhard Genzel,也榮獲2020年諾貝爾物理獎(各占1/4)的殊榮。
 
圖1:恆星們繞行銀河系中心的軌跡顯示出銀河系中心有個超大質量黑洞。其中S0-2在最接近銀河系中心時僅僅只有17光時(光走一小時的距離)。此圖大小為1角秒x 1角秒,為2020年諾貝爾物理獎得主Prof. Andrea Ghez率領的研究團隊在紅外線波段的長期觀測成果。(圖/參考資料1)圖1:恆星們繞行銀河系中心的軌跡顯示出銀河系中心有個超大質量黑洞。其中S0-2在最接近銀河系中心時僅僅只有17光時(光走一小時的距離)。此圖大小為1角秒x 1角秒,為2020年諾貝爾物理獎得主Prof. Andrea Ghez率領的研究團隊在紅外線波段的長期觀測成果。(圖/參考資料1)
 
黑洞是個非常緻密的天體,根據廣義相對論,其所有的質量都聚集在一個體積幾乎為零的小空間內。這個奇怪的時空結構稱為黑洞的奇異點(singularity)。數學物理學家Roger Penrose在1960年代證明質量極大的天體在歷經重力坍縮時,奇異點的產生是不能避免的,也因此榮獲2020年諾貝爾物理獎(占1/2)的殊榮。奇異點的外部被一個稱為事件視界(event horizon)的時空結構所包圍,在事件視界內,即使是試著向外逃逸的光也只能因爲黑洞造成的時空彎曲而朝向奇異點前進,因此我們對黑洞的所有觀測資訊都止步於事件視界外部。
 
儘管如此,在事件視界外部,我們可以藉由圍繞著黑洞的高溫高速旋轉氣體所發出的電磁輻射,得知許多黑洞周圍環境的資訊。天文學家認為位於人馬座(Sagittarius)的無線電波源Sagittarius A*(簡稱Sgr A*),就是我們銀河系中心的黑洞。這些環繞黑洞旋轉的氣體,最終藉由逐漸損失角動量(也就是越轉越慢)而掉入黑洞,稱為黑洞的吸積(accretion)過程。過程中被吸積氣體能釋放出可觀的輻射能量。當被吸積氣體足夠多的時候,質量越大的黑洞越有能力製造越多的輻射。觀測發現Sgr A*所發出的輻射能量遠小於同樣質量的黑洞所能製造的能量,說明了銀河系中心黑洞的吸積流(accretion flow)並不多,而此黑洞吸積系統處於低吸積率(low accretion rate)的狀態。
 

▲歐洲南方天文台發佈關於無線電波源Sagittarius A*的視覺化影片。
 
Sgr A*的觀測光譜如圖2所示²,自1970年代開始發展的各類型黑洞吸積流理論已經可以幫助天文學家對黑洞吸積系統的輻射特性有很好地理解。此外,噴流(jet)結構也能偶爾在其他黑洞吸積系統觀測到,這些在掉入星系中央的超大質量黑洞前成功向外逃出的噴流物質,甚至能產生比星系本身尺度(數千到數十萬光年)還要大的結構。儘管目前觀測上Sgr A*沒有明顯的大尺度噴流,但尚不清楚Sgr A*是否有極弱的噴流結構,或是過去曾經有過噴流產生。黑洞吸積流與噴流皆是帶有磁場的磁流體,其局部活動與輻射釋放也能造成在不同波段的複雜的亮度變化(variability)或是閃焰(flare)。
 
圖2:銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*的觀測數據。黑洞的吸積流理論(線條部分)能大致符合Sgr A*的光譜特性。當逐漸提高在無線電波段觀測頻率時(如光譜上標示的(a)-(e)所示),因為吸積流的輻射機制而能觀測到越來越靠近銀河系中心超大質量黑洞的區域(如左方及上方電波觀測分析後的影像所示)。預計觀測波長約在1mm時,將有機會觀測到來自黑洞事件視界周圍的輻射,可以進一步分析推論出真實的黑洞影像,如右上方的黑洞影像模擬圖所示。左方及上方圖中的比例尺單位為mas=10⁻³角秒、μas=10⁻⁶角秒。(圖/參考資料2)圖2:銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*的觀測數據。黑洞的吸積流理論(線條部分)能大致符合Sgr A*的光譜特性。當逐漸提高在無線電波段觀測頻率時(如光譜上標示的(a)-(e)所示),因為吸積流的輻射機制而能觀測到越來越靠近銀河系中心超大質量黑洞的區域(如左方及上方電波觀測分析後的影像所示)。預計觀測波長約在1mm時,將有機會觀測到來自黑洞事件視界周圍的輻射,可以進一步分析推論出真實的黑洞影像,如右上方的黑洞影像模擬圖所示。左方及上方圖中的比例尺單位為mas=10⁻³角秒、μas=10⁻⁶角秒。(圖/參考資料2)
 
圖2中,吸積流中高速電子繞著磁場運動產生的同步輻射(synchrotron emission,接近光速的帶電粒子在電磁場中偏轉時,沿運動的切線方向發出的電磁輻射)是在無線電波段主要的輻射來源。當天文學家在無線電波段試著觀測銀河系中心黑洞的吸積流結構時,隨著觀測頻率的不同,吸積流也有不同的不透明度(opacity)。隨著觀測頻率增加,這些吸積流越顯透明,因而能觀測到更接近銀河系中心黑洞的區域,且Sgr A*的尺寸顯得更小(見圖2(a)-(e))。

位於我們銀河系中心的超大質量黑洞除了觀測頻率的效應之外,還需考慮從地球觀測銀河系中心黑洞時,由於銀河系盤面的電子不均勻分佈所造成的散射效應。當觀測頻率夠高,解析度夠好,天體也足夠明亮時,我們將能目睹銀河系中心黑洞—我們銀河系家園裡的迷人巨獸—的神秘身影(見圖2所示的黑洞影像模擬)。臺灣中央研究院、國家中山科學研究院、國立臺灣大學、國立中山大學及國立臺灣師範大學也有參與的事件視界望遠鏡 (event horizon telescope)團隊在去年公布人類史上第一張黑洞影像之後,目前正在努力分析Sgr A*的觀測數據。更多關於銀河系中心黑洞的疑問,例如Sgr A*是否是有噴流結構、造成Sgr A*亮度變化的詳細物理機制等,都等待地球上的我們將來一步步揭曉!
 
註1:根據質量來區分,還有恆星級質量的黑洞(具有數個到數百個太陽質量),是由質量比較大的恆星演化到最後所產生的黑洞,這種黑洞則可能散佈在星系的不同部分。恆星級質量的黑洞可能有個互相繞行的伴星,並因為彼此的交互作用而被觀測到。
 
參考資料
 

2These images are from Broderick et al. (2016), The Astrophysical Journal, 820: 137; Lo et al. (1999), The Central Parsecs of the Galaxy ASP Series, Vol. 186; Yuan et al. (2003), The Astrophysical Journal, 598:301.

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