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天文學家:銀河系外竟有「休眠」黑洞

一個雙星系統的藝術假想圖。(公有領域/M. Garlick/University of Warwick/ESO)
一個雙星系統的藝術假想圖。(公有領域/M. Garlick/University of Warwick/ESO)

編譯/笛睿
黑洞不只吞噬一切,黑洞竟然也會休眠!科學家發現了位於銀河系之外的第一個休眠黑洞。雙星系統中一顆恆星變成黑洞後,這個系統會怎樣演化?科學家現在對這個問題有了新的線索。

在此之前,科學家發現的多數黑洞都是「活躍」狀態的,意即它們不斷從周圍環境,特別是從伴星身上汲取物質的狀態。這個過程會發出大量的X射線,從而被科學家探測到這些黑洞的存在。

而「休眠」(dormant)黑洞是不從周圍環境汲取物質的黑洞。科學家認為這類黑洞數量也很多,但以現在的技術很難探測到。科學家知道位於銀河系正中心位置的超級黑洞,就是一個休眠的黑洞——否則我們整個太陽系就會以越來越快的速度落向銀河系的中心!

所以,這份研究發現的是第一個位於銀河系之外的休眠黑洞。這個黑洞位於距離銀河系不遠處的大麥哲倫雲(Large Magellanic Cloud)內。

天文學家發現其實多數恆星都有一個伴星,也就是多數恆星都是兩兩組合成為一個雙星系統,在引力的作用下互相繞行。它們之間的距離可以達到一萬光年那麼遠,甚至更遠,所以從望遠鏡的觀測數據中,並不容易看出哪顆恆星和哪顆恆星組成一個雙星系統。但是,在恆星強大引力的作用下,兩顆恆星總會越靠越近。

年輕的恆星一般和伴星的距離較遠,大齡的恆星在幾十億年的生命週期中,逐漸和伴星靠得比較近。科學家發現此時大概會發生兩種情況。

一種情況是當它們靠得太近的時候,一顆恆星把另一顆恆星彈射出去。科學家估計太陽就經歷了這樣的情形,把一顆名為涅墨西斯星(Nemesis)的伴星踢走了。

另一種情形是兩顆恆星一直互相繞行,直到其中一顆恆星死亡。研究者認為,這次發現的這個休眠黑洞,就是來自於這種情形的一顆恆星。

銀河系外發現個一個休眠黑洞。(臺北市天文科學教育館提供)銀河系外發現個一個休眠黑洞。(臺北市天文科學教育館提供)

這個雙星系統名為VFTS 243,研究人員先發現了其中一顆恆星,質量大約是太陽的25倍,之後發現它還有一個伴星。最終確定它是一個黑洞,質量大約是太陽的9倍。它們的質量差別不大,可是那顆恆星的體積卻是這個黑洞的20萬倍。

奇怪的事情是,這個黑洞並不像多數處於這類情形的系統那樣——不斷從伴星身上汲取物質。所以這顆黑洞處於「休眠」狀態,它並不發出任何X射線。為什麼會出現這樣的情形?這正是科學家想進一步了解的地方,也是能完善雙星系統演化理論的新線索。

科學家通過探索重力波訊號發現,在有些情況下,兩個互相繞行的黑洞彼此越靠越近,最後發生合併,這個事件發出重力波訊號。可是科學家不明白,為什麼會出現這樣的情形,兩個靠得很近的黑洞是怎麼形成的?它們不是早就會把對方吞噬嗎?這份研究認為,新發現的休眠黑洞就是可以解答這個問題的新線索。

這份研究的主要作者之一、荷蘭阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的天體物理學家托默·謝納(Tomer Shenar)說:「很可能就是它們一開始是兩顆恆星組成一個雙星系統,後來它們逐一變成了(休眠狀態的)黑洞(並繼續繞行彼此)。」

歐洲南方天文臺(ESO)的極大望遠鏡(VLT)偵測到銀河系外休眠黑洞。(維基百科)歐洲南方天文臺(ESO)的極大望遠鏡(VLT)偵測到銀河系外休眠黑洞。(維基百科)

休眠黑洞難以偵測,因為它們幾乎不與周遭環境產生交互作用。這一發現要歸功於歐洲南方天文臺(ESO)的極大望遠鏡(VLT),利用光纖大陣列多元素光譜儀(the Fiber Large Array Multi Element Spectrograph,FLAMES)對蜘蛛星雲(Tarantula Nebula)進行了6年的觀測後所發現,在該區域搜尋了近1千顆大質量的恆星,以尋找可能有黑洞作為伴星的恆星。

這份研究7月18日發表於《自然·天文學》(Nature Astronomy)期刊。◇