被迫節食的黑洞

49太歲

 

　　哈佛大學（Harvard University）研究生Joey Neilsen等人在美國天文學會年會中提出報告：利用兩架X射線觀測衛星進行探測，終於發現到底是什麼原因促使一個黑洞系統發出類似心跳的脈動訊號。這項發現並顯示：某些黑洞會控制它自己的「食慾」，進而嚴格限制黑洞的成長。

　　利用錢卓X射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）和Rossi X射線計時衛星（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）研究銀河系中一個雙星系統GRS 1915+105（簡寫為GRS 1915）。這個雙星系統位在天鷹座方向，距離地球約40,000光年，其中一個子星是質量約為太陽14倍的黑洞，而且還在剝奪它伴星的質量而成長茁壯中。在物質落入黑洞之前，會在黑洞周邊繞行而形成一個吸積盤，並在此過程中釋放出X射線。天文學家估計GRS 1915中的黑洞自轉速度已達最大上限，因此吸積盤最內側的邊界非常靠近黑洞，其半徑只比黑洞的事件視界（event horizon）大了20％而已，此處的物質運動速度高達光速的50％。

　　這些天文學家利用錢卓和RXTE持續監測GRS 1915的X射線強度變化達8小時之久。這段期間，GRS 1915約每50秒會突然出現一個短暫而明亮的X射線脈動，亮度較平常亮了3倍左右；整體變化像是利用心電圖監看人類心跳一樣，從心跳變化來瞭解血液在血管中流動動的狀態。先前已知當GRS 1915的質量消耗量非常高時，就會出現這種X射線脈動現象（請參考中研院天文網拒絕「超大質量」：黑洞會做質量管理）；Neilsen等人則是進一步利用脈動來瞭解：到底是什麼因素在控制黑洞消耗多少物質。

　　Neilsen等人表示：GRS 1915每次脈動時，都會向週邊環境拋出大量能量，深深影響黑洞周邊的吸積盤，甚至離黑洞很遠的地方也不例外。從RXTE觀測的每次脈動的X射線光譜變化，則顯示半徑僅約事件視界幾倍大的吸積盤內側區域會發出大量輻射，足以將吸積盤中的物質推離黑洞。最後塵埃盤變得又熱又亮，導致塵埃盤逐漸崩潰，大量物質瞬間掉向黑洞；之後，物質累積又潰散的循環再度開始。GRS 1915的這個行為清楚顯示輻射壓和重力抗衡的過程，脈動發生時，輻射壓會阻止黑洞攝食，降低它的食量。Neilsen等人估計每個脈動週期內，落入黑洞的物質量相差了10倍左右；相鄰2次脈動之間的平常時期，吸積盤最內側區域會從離黑洞很遠的地方快速補齊。

　　此外，這些天文學家利用錢卓的高解析光譜儀研究這個脈動變化對離黑洞約10萬～100萬倍事件視界半徑的吸積盤外側有何影響。由此，他們發現吸積盤外側區有很強的黑洞恆星風，由內向外吹。這個恆星風的變化週期僅有5秒，比之前曾觀測到的恆星型黑洞發出的恆星風還快了100倍左右，很可能就是受到吸積盤內側的X射線脈動輻射加熱的結果，而且每次脈動都會驅使更多的恆星風將物質向外吹送，估計物質被向外吹的速率比落入黑洞的速率高出25倍之多。

　　所有能量外拋的過程都會將大量物質向外帶，相當於每天流失1/3個月亮的質量。這種「效率」迫使黑洞變成一個嚴格的節食者，而且對整個系統的脈動都有實質的影響。大規模恆星風將吸積盤外側物質向外帶出，經歷數個星期後，吸積盤內側的物質得不到適當補充，使得黑洞進食速度變慢，X射線亮度因而降低，製造強勁輻射變化和恆星風的力量也隨之變弱，GRS 1915也因此進入13個已知變化型態的「脈動靜止」階段。


《 本帖最後由 49太歲 於 2011-1-20 10:10 編輯 》