史上首次 NASA確認黑洞以近光速旋轉(圖)

藝術家圖解超級大黑洞的概念，其質量是太陽的數百萬倍至數十億倍。超級大黑洞深藏在銀河系中心，是密度濃厚無比的天體。(NASA/JPL-Caltech)

美國及歐洲的太空研究機構最近發表研究結果，發現一個質量是太陽200萬倍的超級大黑洞以近光速的速率旋轉。這是科學家首次準確測量黑洞的旋轉速度。

最近《自然》（Nature）雜誌發表一項新的研究結果指出，美國太空總署的核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）和歐洲太空總署的X射線多鏡面任務-牛頓衛星（XMM-牛頓）兩大X射線太空觀測站攜手合作，首次準確量測出質量是太陽200萬倍的超級大黑洞的旋轉速率。這顆位於NGC 1365銀河系中心的超級大黑洞旋轉的速率幾乎達到愛因斯坦重力理論的極限值（即光速）。廣義相對論認為，重力會扭曲時空、宇宙結構，以及行經重力場的光。此項觀測研究也再一次驗證愛因斯坦的廣義相對論。

黑洞（Black hole）是宇宙中一種超大質量的天體，根據廣義相對論，它產生的巨大重力場會吞噬任何物質與輻射，包括光。因此，科學家只能藉由測量它對周圍天體的作用，來間接觀測或推測它的存在。這種「太空怪物」的質量可達太陽的數百萬倍至數十億倍，形成「超級大黑洞（Supermassive black holes）」，它深藏在銀河系中心，密度濃厚無比。

美國哈佛大學史密森天體物理學中心、義大利國家天體物理研究所的天文學家Guido
Risaliti認為，超級大黑洞在宇宙初期像小種子般形成後，開始吞噬宿主星系中的星體和氣體，或者當星系之間產生碰撞時，與別的巨型黑洞融合，藉此逐漸成長。

這項發現解決了此類黑洞相關量測上一個爭議已久的問題，並使科學家能更瞭解黑洞和星系的演化過程。NASA NuSTAR的科學家Lou Kaluzienski認為，這是黑洞科學界非常重要的發現。

解決X射線的觀測問題

當宇宙物質受黑洞重力向內拉扯時，會形成狀如薄煎餅的吸積盤（accretion disks）環繞在超級大黑洞周圍。由於黑洞不斷的收縮、融合過程，最終會將周遭的物質合成為鐵元素，因此，天文學家便透過分析吸積盤中流動的鐵原子散出的X射線，間接發現黑洞，並對之進行研究。

但是，由於瀰漫黑洞的氣狀雲層（clouds of gas）遮掩著黑洞、混淆觀測結果，致使科學家一直以來都無法確切掌握量測結果和黑洞旋轉的速率。2012年6月NASA啟動的NuSTAR探勘任務，終於解決了這個難題。這架望遠鏡能夠鉅細靡遺的偵測最高能量的X射線，配合XMM-牛頓與NASA錢德拉這些觀測低能量X射線的天文望遠鏡，就能觀測到更廣域的X射線能量，進一步洞察黑洞的周遭區域。

天文學家在新的研究中，運用NuSTAR和XMM-牛頓兩大天文望遠鏡，同步觀察位於NGC 1365銀河系的黑洞。當XMM-牛頓偵測出鐵原子射出的光被扭曲之時，NuSTAR能證實這種變形正是來自黑洞的重力，而非附近的氣狀雲層。由NuSTAR觀測到的高能量X射線數據可知：愈靠近黑洞，其變形效應愈受到重力的影響。（根據愛因斯坦的廣義相對論：黑洞旋轉得越快，吸積盤就越靠近黑洞，從吸積盤湧出的X射線就會被強大重力扭曲得更厲害。）

排除了雲層遮掩的可能性之後，科學家現在可以針對鐵原子的失真特徵，明確無誤的測定超級大黑洞的旋轉速率。這項研究結果同樣解決先前其它幾個黑洞觀測數據上的困惑。

準確測定超級大黑洞的旋轉，對於瞭解黑洞及其宿主星系的來歷很重要。