借由反射回光法观测黑洞冕区的变化,有利黑洞研究

英国剑桥大学(University of Cambridge)天文学家William Alston等人利用欧洲太空总局(ESA)的XMM-Newton X射线观测卫星(XMM-Newton X-ray Observatory)首度观测活跃星系(active galaxy)IRAS 13224-3809中央超大质量黑洞周围,高能X射线释放过程与邻近气体交互作用造成的反射回光(reverberating echo)传递与分布概况。

这个活跃星系是目前已知全天变化最剧烈的X射线源之一,亮度在数小时内可变化达50倍程度,如下方示意图。借由关注X射线反射回光的变化状况,天文学家发现,IRAS 13224-3809黑洞冕区的亮度和大小随时间改变速度快得惊人,变化时间往往只需数天。这项研究能帮助天文学家深入了解黑洞冕区的动力行为和周边环境,甚至了解星系形成和演化的历史。

超大质量黑洞冕区变化动图。

黑洞通常非常小且不发出可直接侦测到的辐射,因此天文学家很难直接了解黑洞的行为。不过物质旋转落往黑洞的过程会在黑洞周围形成扁平的吸积盘;非常接近中间黑洞的吸积盘处为黑洞冕区(corona),气体和电子会加热到10亿度的极高温程度而释放出大量高能X射线,天文学家便可借机利用X射线辐射间接探索黑洞。这个区域也往往会因黑洞的强大重力和极端性质而呈现高度扭曲状态。

大家都很熟悉,在不同地形或物质环境,说话或喊叫的回声会不一样,从黑洞邻近区域的X射线辐射回光传递状况,天文学家便可搭建出这个区域的几何形状和物质团状态,这种测量方式称为“回声定位”(echo location)。又由于向中心旋落的气体的动力学状态与黑洞本身有关,所以可从X射线辐射回光反推黑洞的质量和自转(自旋)等物理性质。质量、自旋和电荷戏称为“黑洞三毛”,科学家认为只要有这三根毛的数据,就算掌握黑洞完整的消息。

IRAS 13224-3809黑洞冕区的亮度和大小变化剧烈,往往仅需数天,反射回光也会随着黑洞冕区大小变化而改变;天文学家可据此反推黑洞冕区的变化。这种方式测出的黑洞质量和自转等性质,比冕区没有大小变化的黑洞所得结果还要精确。但黑洞质量不会变,所以改变的只是反射与回光反映的变化有关联的周围气体环境。

此研究所用数据是XMM-Newton卫星于2011~2016年间16次轨道时间内,共累计200万秒成果,看起来好像很久,其实换算一下只有23天,不过已够让Alston等人创建计算机模型,仿真黑洞造成冕区反射回光的每日变化状况。因为大部分超大质量黑洞的视直径都很小,所以此次研究无法如事件视界望远镜(Event Horizo​​n Telescope)直接拍摄M87星系中心超大质量黑洞图片那样观测。反射回光法可侦测的超大质量黑洞数量估计可达数百个,对相关研究很有帮助,未来ESA专为观测黑洞周围环境设计的雅典娜卫星(Athena)升空后,数量必定会再增加。