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距離地球最近黑洞就藏身這裡
南半球冬季的夜空中﹐頭頂的望遠鏡座(Telescopium)中有顆藍色光點閃爍不已。夜空中的這個小點看上去像是顆明亮的恆星﹐但其實是兩顆近距離互繞的恆星﹐再加上另一個目前已知距離地球最近的黑洞。
這個新發現的黑洞位於HR 6819恆星系統內﹐距離我們的太陽系約有1011光年遠。根據5月5日出版的《天文與天文物理學》(Astronomy & Astrophysics)期刊指出﹐這個不可見天體與另外兩顆可見恆星的軌道相同。科學家估計這個黑洞的質量約為太陽的4倍﹐比之前發現距離我們最近的黑洞還要近了約2500光年。
美國加州大學伯克萊分校的博士生卡里姆·巴德里(Kareem El-Badry)表示﹕「它似乎就藏身在眾目睽睽之下﹐」他的專長是雙星系統﹐但並未參與該研究。他說﹕「這個恆星系統的亮度夠亮﹐因此科學家從1980年代就開始研究它了﹐但看起來它似乎還隱藏了一些驚喜等著我們。」。
以人類的尺度來看﹐1000光年的距離相當遙遠。如果把地球與太陽之間的距離縮短為頭髮的寬度﹐那麼HR 6819恆星系統就在大約6.4公里之外。不過﹐從更大的尺度﹐直徑超過10萬光年的銀河系來看﹐HR 6819恆星系統的距離相當近﹐而且這也顯示有許多黑洞散布在銀河系之中。
這篇研究論文的第一作者歐洲南方天文臺(European Southern Observatory﹐簡稱ESO)的天文學家湯瑪士·里維紐斯(Thomas Rivinius)表示﹐「如果你發現了一個距離非常近的黑洞﹐而且你又覺得自己並不特別﹐那就表示一定到處都有黑洞存在。」。
黑洞是一種非常緻密的天體﹐它的重力場十分強大﹐甚至連光線都無法逃脫。天文學家一直都估計有好幾億個黑洞存在銀河系之中﹐但是要找到這些黑暗的天體卻極為困難。科學家發現銀河系裡有幾十個黑洞在「吞食」附近的氣體團塊﹐這些物質繞著黑洞邊緣打轉時會釋放出X射線。但是﹐銀河系裡的大多數黑洞是看不見的。因此﹐要發現它們的唯一方法﹐就是觀測周圍天體的重力效應。
其實研究HR 6819恆星系統的天文學家一開始根本就沒有要尋找黑洞﹐他們只是想深入了解這對彼此互繞運轉的奇特恆星。較外側的恆星是顆Be星﹐它的質量比太陽還要大上幾倍﹐溫度更高﹐顏色也更藍。這顆恆星赤道的自轉速度超過每秒482公里﹐比太陽赤道的自轉速度還要快200多倍。里維紐斯說﹕「它們的自轉速度非常快﹐恆星上的物質差一點就要飛出去了。」。
將時間倒轉回到2004年﹐當時天文學家利用智利拉西拉天文臺(La Silla Observatory)2.2公尺口徑的MPG/ESO望遠鏡﹐對HR 6819恆星系統進行了為期四個月的觀測研究。他們發現有些跡象顯示這並不是個標準的雙星系統﹐「正常的」的內側恆星似乎以40.3天的週期繞著另一個天體運轉﹐而較大的Be星以更遠的軌道距離繞著內側恆星與神秘的第三個天體運行。
五年後﹐歐洲南方天文臺的斯坦·斯特夫(Stan Štefl)率隊重新審視這次的觀測結果﹐其中就隱藏著黑洞藏身HR 6819恆星系統的線索。但斯特夫於2014年不幸因車禍過世﹐讓這項研究工作陷入停滯。2019年11月﹐曾與斯特夫長期共事的Be星專家里維紐斯找到了重新觀測HR 6819的新理由。另一個團隊發表的研究宣稱在LB-1恆星系統中發現了一個70倍太陽質量的黑洞﹐這個發現讓人跌破眼鏡。根據物理學家對恆星質量級黑洞形成的認識﹐黑洞是由大質量星發生超新星爆發後所形成的﹐如果是這樣的話﹐應該不可能有70倍太陽質量的黑洞形成。當足以產生如此大質量黑洞的恆星死亡時﹐爆炸產生的殘骸並不會往回掉落。
然而﹐里維紐斯的團隊留意到﹐LB-1恆星系統的觀測數據與HR 6819恆星系統極為相似。因此他們開始描述HR 6819恆星系統中第三個謎樣天體的特徵。根據對內側恆星公轉軌道及亮度的計算﹐他們發現這個不可見天體的質量起碼是太陽的4.2倍與銀河系內其他已知黑洞的質量差不多。
這篇研究論文的共同作者歐洲南方天文臺的榮譽科學家迪特里希·巴德(Dietrich Baade)認為﹐如果這個天體的質量約為太陽的四倍﹐那它就不可能是顆普通的恆星﹐因為那麼大的恆星會「非常容易探測到」。此外﹐這個天體的質量也太大﹐不可能是顆中子星(由某些超新星爆發後留下的恆星核心)。只有一種天體能解釋這個計算結果﹕黑洞。
但巴德里表示﹐所有對像HR 6819這類包含多個近距離天體恆星系統的研究﹐都得要應付一些潛在的誤差來源。HR 6819外側的Be星和內側恆星之間的距離太近了﹐無法使用任何的光學望遠鏡將它們解析開來。只有藉由這兩顆恆星所發射出的不同光譜﹐才能分辨出它們。
有時候﹐較老恆星外層的氫「剝離」後﹐會與更年輕﹑質量更大的恆星看起來很類似。如果HR 6819系統的內側恆星就是這種狀況﹐那麼研究人員就得重新計算這個假想黑洞的質量。
在後續的研究中﹐論文共同作者彼得·哈德拉瓦(Petr Hadrava)帶領研究者努力「解開」HR 6819系統發出的光線﹐釐清這兩顆恆星的準確光譜﹐以確定它們的特性。巴德里補充道﹐歐洲太空總署(ESA)的蓋亞(Gaia)太空望遠鏡正在以前所未有的精度觀測銀河系﹐這可以提供有關HR 6819系統內天體公轉軌道的更多細節。由於這個恆星系統與我們的距離非常近﹐天文學家可以利用一種稱為干涉法(interferometry)的技術﹐結合許多望遠鏡的觀測資料﹐來精確地分辨出這兩顆恆星。先前科學家也是用這種技術﹐以望遠鏡網路拍攝超大質量黑洞的輪廓。
「通常﹐如果在黑洞周圍有顆恆星時﹐我們其實看不到恆星繞著黑洞運轉﹐」這篇論文的共同作者歐洲南方天文臺的博士後研究員瑪莉安·海達(Marianne Heida)表示﹐「但這個系統與我們的距離這麼近﹐我們應該能夠看到它的運動… …這代表如果一切順利﹐我們就能更精確地掌握黑洞的質量。」。
研究人員正在規畫接下來該如何繼續進行研究﹐它們也將這份榮耀歸給斯坦·斯特夫﹐因為他是一開始推動發現這個黑洞的主要力量。「斯坦非常小心謹慎﹐」里維紐斯微笑著說﹐「他可能現在就在看著我﹐然後問我﹕你真的確定嗎﹖」。
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