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四月中,「事件視界望遠鏡」(The Event Horizon Telescope, EHT) 發表了黑洞首張照片,讓黑洞公諸於世;至上月初,美國國家射電天文台 (National Radio Astronomy Observatory, NRAO) 又再發現了一個有關黑洞的古怪現象 —— 有黑洞正在噴出一條極速擺動的噴流,擺動的周期竟然短至幾分鐘,令人嘖嘖稱奇!

「黑洞」(Black Hole) 十分神秘,人類至令對它的瞭解仍很少,我們直到現在尚且還沒有弄清楚黑洞究竟以何種方式吞噬星體?又如何會形成黑洞噴流?而這一回,又多了一個會擺動的黑洞噴流難題!

黑洞最初是由愛因斯坦 (Albert Einstein)「廣義相對論」(General Relativity) 所推測的天體,「重力」(Gravity) 大到連光線都無法逃脫,理論上是個只進不出的無底坑。平時它們和宇宙環境融為一體,安靜又低調,既測不到也看不見,像個隱藏的捕獸器,只有當哪顆不看路的倒楣恆星經過它附近時,才會將它從冬眠喚醒,並以強大重力將恆星四分五裂,這一過程稱為「潮汐力崩解事件」(Tidal Disruption Event)。

這類捕獵事件在宇宙中並不常見,持續時間也不長,更重要的是,如果黑洞邊吃邊反胃吐出的高速噴流不是剛好指向我們,我們可能根本看不到有這種事情發生。

V404-Cygni

什麼是「黑洞噴流」(Black Hole Jets)?天文學家們推測,黑洞噴流一般是由於超大質量黑洞,在其強大的引力作用下,大量逐步蠶食周圍星體物質時產生的強力「等離子體噴流」(Plasma Jets) 。超大質量黑洞的噴流往往意味著其所在星系正在發生劇變,有大量的物質落入黑洞並且有很多物質在吸積過程中變成等離子體再噴發出來。

英國劍橋大學天文研究所 (Institute of Astronomy, University of Cambridge) 所長 Andrew Fabian 說:『這是很令人激動的發現,關於這點的可能性,人們已經爭論了很久。約有 1% 的超重黑洞有圍繞自身的氣體塵埃「吸積盤」(Accretion Disc),盤中的物質落入黑洞中時,會因高壓產生高熱而發出光芒,而每十個此類活躍黑洞中,就有一個能向外噴射 99.995% 光速的粒子流。天體物理學家此前一致認為是吸積盤製造了這些噴流,只是尚未知道具體原理。』

V404 Cygni

有關今次的發現,研究小組觀測了編號為「V404 Cygni」的「微類星體」(Microquasar),它位於「天鵝座」(Cygnus),離地球近 8000 光年。它是一個由恆星和黑洞組成的「雙星系統」(Double Star System),其中的黑洞質量大約為九個太陽質量,而恆星質量約為太陽的 70%。

雖然 V404 Cygni 的吸積盤寬達一千萬公里,但只有內部幾千公里的地方才會被扭曲,而這個部份受強烈的輻射影響膨脹成類似 Donut 的形狀,也就在這個中心位置出現一道噴流。

天文學家更發現 V404 Cygni 的噴流速度高達光速的 60%,而更令人驚訝的是,能量如此強大的噴流竟然在急速擺動,而且擺動的周期竟然短至幾分鐘。

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來自澳洲科廷大學 (Curtin University) 國際射電天文學研究中心 (International Centre for Radio Astronomy Research, ICRAR) 的 James Miller-Jones 教授說:『我們從未見過擺動如此劇烈的黑洞噴流,這種噴流能量極高,且速度接近光速,從非常近黑洞中心的位置噴射出來,目前仍未知道造成這種現象的具體原因,估計是黑洞強大引力扭曲周圍的空間有關。』

在日常生活中,我們知道高壓噴槍射出的水柱是不容易被風吹偏的,而黑洞的噴流能量極高,肯定是有某種更為強力的物理作用才能擺動噴流。Miller-Jones 教授認為這可能是一種被稱為「參考系拖拽效應」(Frame-Dragging) 的廣義相對論效應,由於黑洞的快速旋轉拖拽了其周圍的時空一起扭曲旋轉。

Miller-Jones 教授指出:『在 V404 Cygni 中,黑洞的旋轉軸與其伴星的公轉軌道平面並不垂直,在這種情況下,參考系拖拽效應會扭曲並拖動吸積盤內部,由於噴流是從吸積盤內部發出的,參考系拖拽效應就會改變噴流的發射方向,導致觀測到的噴流在不停的搖擺,這是目前能想到的唯一合理解釋。』

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在通常情況下,可以透過長時間曝光來獲得較為清晰的觀測圖片,但東亞天文台 (Eastern Asian Observatory) 的 Alex Tetarenko 博士說:『今次觀測的噴流擺動如此急速,以至在四小時的觀測中我們就只拍到一個模糊影子,因此不得不改變一下觀測策略。』

為了捕捉擺動的噴流,研究人員進行了 103 次獨立的觀測,每次觀測長約 70 秒,再把觀測到的照片組合成動畫。

加拿大阿爾伯塔大學 (University of Alberta) 的 Gregory R. Sivakoff 教授說。『觀測結果完全出乎我們意料,這項新發現加深了我們對黑洞和星系形成的理解。』

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