科學家找到研究銀心黑洞自轉的方法


物理學家認為黑洞只有三個獨立的特性:質量、電荷、和角動量。由於黑洞所捕獲的物質基本上是中性電荷,因此黑洞的電荷應該是零。而黑洞的質量決定其事件視界(event horizon)的大小,可以通過周圍物質運動的軌道測量質量。但是,黑洞的旋轉就很難研究。黑洞會如同恆星或行星自轉,可是黑洞沒有像恆星和行星那樣的物理表面提供測量。由於與質量一樣,黑洞自旋也是一種時空性質,因此自旋會造成空間改變,要測量黑洞的自旋,需要研究物質在黑洞附近的行為。目前已測量到超大質量黑洞的自轉。如研究其吸積盤發出的X射線會受自旋改變能量,例如M87影像中,朝向我們旋轉的一側的光環更亮。但是我們不知道銀河系中心黑洞的自旋,由於銀心黑洞不是很活躍,也比M87中的黑洞小得多。我們不能通過觀察它附近的光來測量它的自旋轉情況。

要解決這個問題,巴西聖保羅大學地球科學與大氣研究所副教授羅德里戈·內門(Rodrigo Nemmen)提出參考系拖曳(frame-dragging)方式,當質量旋轉時,它會稍微扭曲周圍的空間。這種現象已經由測量繞地人造衛星證實。雖然黑洞無法好像地球,在它的周圍軌道上放置探測器測量,但是內門認為可測量黑洞周圍恆星運動證實。尤其大約有四十顆S-型星(是光譜類型為S的恆星,一種晚期型的巨星,它的光譜呈現出是K和M的巨星,但有氧化鋯以及氧化鈦的頻譜),其軌道非常靠近黑洞,隨著時間的進展,它們的軌道會因參考系拖曳的效果而改變。如果可以測量這些偏移,就可以測量自旋。在這項新研究中,團隊研究了S-型星的軌道,沒有發現參考系拖曳效應,因此銀心黑洞必定緩慢旋轉,可能其旋轉度小於黑洞最大可能旋轉度的一成。相較之下M87黑洞的旋轉速度快多了。

【圖:美國太空總署;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2020年7月30日出版的《天體物理學快報》

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