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黑洞總是在太high狀態嗎



  圖片說明:在圖左邊的是,Abell 644,一個距離地球大約11億光年的星系群的中心。右邊的圖,是一個孤立的「星場」,這個星系的名字只是一串數字:SDSS的J1021+1312,距離我們大約9億光年。左右兩個圖的正中央,個別都有一個正在成長中的超大質量黑洞,一種會吸進大量氣體的黑洞,天文學家又稱它們為:「活躍星系核」(active galactic nucleus:AGN)。圖片來源:X射線部分,由NASA/CXC/西北大學提供,可見光部分,由史隆數位巡天計畫,SDSS提供。

  想知道過去數十億年以來,最大型的黑洞究竟有多活躍嗎?NASA的錢卓X射線天文台可以回答。錢卓天文台所觀測的天體對象,可以幫助科學家更了解大質量恆星爆炸的細節,並得知哪些爆炸留下了黑洞,或中子星,以及,在我們的銀河系裡,黑洞的數量有多少等。從這一類發現,可以知道黑洞的成長故事,並預知在銀河系中心的巨大黑洞,未來可能發生怎樣的行為或變化。

  大多數星系,包括我們的銀河系也是,核心可能都含有超大質量黑洞。「超大」是多大呢?它的質量可能是數百萬、甚至數十億倍於太陽。天文學家們發現到,這些黑洞的活動狀況呈現著多樣性:休眠、昏睡到超級好動,各種都有。原因?迄今尚未能完全了解。

  其中,最活潑好動的超大質量黑洞,會產生所謂的「活躍星系核」,或一般簡稱為AGN: 也就是active galactic nuclei,它,會吸進大量氣體,氣體被吸進去之後就被加熱,並在X射線波段發射出明亮的光。

  從事大型的黑洞究竟有多活躍研究的科學家說:「我們研究許多質量與我們銀河系近似的星系,結果發現,大約只有百分之一的超大質量黑洞,是正處在它們最活躍的階段,回答在這些黑洞當中,佔多少比例是隨時都處於活躍狀態中的,是一件重要的事情,它能幫助我們了解,黑洞在星系裡如何生長,環境對它們的成長又有著怎樣的影響。」

  錢卓X射線天文台目前和史隆數位巡天計畫合作,有一個稱為「錢卓多波段巡天普查」的計畫,普查範圍約佔天空中大約30平方度,該計劃能分析的星系數量,可達到1萬個,其中約有1,600個,在X射線波段發出了明亮的光,這代表,其中可能有「活躍星系核」的激烈活動正在進行。

  這個研究的對象雖然距離遠及在地球63億光年以外的一些星系,不過,只有距離在1.6億光年以內的星系,才有辦法和銀河系進行有意義的比較,研究主要是針對孤立的或星場中的星系進行,並不針對密度較高的星系群或星系團。

  這是天文學家第一次針對鄰近宇宙區域,直接測定星系場「含有活躍型超大質量黑洞」的分數(分子相對於分母的比例)是多少,科學家想知道,這些巨型黑洞的爆發有多頻繁,因為爆發代表它們經歷重大迸發式增長,這個資料和黑洞的生長息息相關。

  由於巨型黑洞的質量和其宿主星系中心的質量,彼此間具有密切相關性,一般認為,這可能意味著超大質量黑洞的成長和其宿主星系之間,兩者有可能也是密切相關。因此,在鄰近地球的宇宙區域,確定活躍星系核相對星系的分數是多少,對於建立巨型黑洞和其宿主星系兩者之間所謂「平行生長」的模型,至關重要。

  本次這項研究的諸項成果之一是,證實了擁有活躍星系核的星系的百分比,和星系的質量大小是有關的;質量最大的星系最有可能成為活躍星系核的宿主星系,而質量只有銀河系十分之一的星系,它含有活躍星系核的機率,就小了大約10倍。

  研究的另一個結果是,活動星系核的比例分數,似乎是跟隨著宇宙大霹靂發生後的時間腳步而變化著,越到後來,這個比例分數的數字就遞減,這個結果確認了先前其他學者的研究發現。意味著,黑洞的能量供應,或者是能量供應的機制,都有可能是隨時間進行而變化的。

  這項研究還有另一個重要的意義是,可以了解到星系的環境,究竟對於黑洞的生長有沒有什麼影響呢?從結果看來,在獨立星場的活躍星系核,它的比例分數,似乎和位於星系群密集區幾乎沒有什麼差別。意思也就是說,活躍型黑洞的問題就是,它們真的是「稀有動物」、它們的數量真的就是很少、倒不是人們所說的,它們天性孤僻、有反社會傾向、偏好離群索居之類的。這個結論可能對有些人來說,是一大驚訝,不過對於環境如何影響黑洞的長成,卻是一條新的重要線索。

  另外,活動星系核的比例分數,隨著宇宙時間進行,在星系群和在個別星場中,其演化生成的速度或許也不相同,這也是可能的。如果活躍星系核「分子」相對於星系群「分母」的分數起始值,在一開始時是高於獨立星場的,後來這個分數數字的降幅也就會更大一些 - 有些研究結果的確出現這樣的暗示 – 所以,無論是在星系群中,或是在個別星場中,從某一點來看的時候,兩者的數字差異並不大。這,或許可以成為我們在鄰近宇宙區域中實際所觀察到的現象的一個解釋。

  銀河系裡有一個稱為人馬座A的大質量黑洞。儘管天文學家多年來使用錢卓和其他望遠鏡來觀測它的活動,它的活動量一直很低。不過,如果銀河系遵循著「錢卓多波段巡天普查計畫」所建議的趨勢,那麼,在過去某一段時間當中,人馬座A黑洞在X射線波段應該比現在更亮10億倍,不過,只為時大約太陽剩餘壽命的1%左右,並不太長。換句話說,也就是,在遙遠的過去,黑洞進行著劇烈活動的情形,與現今相比,應該普遍得多。



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