美國太空總署（NASA）的NuSTAR太空望遠鏡（Nuclear Spectroscopic Telescope Array，核子光譜望遠鏡陣列）和歐洲太空總署（ESA）的XMM-Newton望遠鏡，首次協力合作測量超大質量黑洞的自旋速率！
這個有兩百萬個太陽質量的黑洞，就藏身在滿是灰塵與雲氣的NGC 1365星系中心，它的自旋相當快速，幾乎已達到愛因斯坦重力理論所預測的最大速率！這項刊載在最新一期的「自然」期刊的研究結果，解決了長久以來對其他黑洞的類似測量所引起的爭論，更幫助我們了解黑洞與星系如何演化。
美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡的計畫科學家Lou Kaluzienski表示：「這個發現對黑洞這個領域的科學來說非常重要！」
愛因斯坦的廣義相對論認為，重力能夠扭曲時空、形塑宇宙，而光就在其中穿梭來去，而這項觀測對廣義相對論提供了相當有力的測試。
NuSTAR的計劃主持人，同時也是本研究的共同作者－加州理工學院（California Institute of Technology）的Fiona Harrison表示，「我們可以利用黑洞周圍區域所發出的X射線來追蹤旋轉掉入黑洞的物質，這些輻射會被粒子的運動和黑洞強大的重力扭曲。」
NuSTAR太空望遠鏡於2012年6月發射升空，它的觀測波段是高能X射線的範圍，正好能補足XMM-Newton望遠鏡或錢卓（Chandra）X射線望遠鏡所觀測的低能X射線波段。科學家利用這些望遠鏡觀測黑洞，估計它們的自旋速率。
在過去類似的觀測常因黑洞周圍的雲氣阻擋，而無法獲得精確的結果，但有了XMM-Newton望遠鏡的幫忙，NuSTAR太空望遠鏡能夠觀測更廣的X射線波段，洞悉黑洞周圍更深的區域。最新的觀測結果顯示，X射線並非被雲氣扭曲，而是被黑洞強大的重力扭曲，這也證明我們確實可以量測超大質量黑洞的自旋速率！
歐洲太空總署XMM-Newton的計畫科學家Norbert Schartel表示：「如果我能夠為XMM-Newton太空望遠鏡增添一項設備，那我想為它加上一個像NuSTAR這樣的望遠鏡，高能X射線的觀測是解開這個謎團不可或缺的一片拼圖。」
測量超大質量黑洞的自旋速率對了解黑洞和宿主星系過去的歷史相當重要。
「這些數百萬至數千萬個太陽質量的黑洞，在早期宇宙中初生，靠著吞食宿主星系中的恆星和雲氣，或是在星系碰撞時和其他的巨大黑洞合併而成長茁壯。」本篇研究的第一作者－任職於美國哈佛史密松恩天文物理中心（Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics）和義大利國立天文物理研究院（Italian National Institute for Astrophysics）的天文學家Guido Risaliti這麼說。
超大質量黑洞的強大重力將周圍物質拉入時，會在周圍形成一圈像是鬆餅般的吸積盤。愛因斯坦的理論預測，黑洞自旋的速率越快，吸積盤就會越靠近黑洞，由吸積盤發出的X射線也會被黑洞的重力扭曲的更嚴重。
為了尋找這種重力扭曲的效應，天文學家分析鐵在吸積盤中環繞所發出的X射線。在這篇研究中他們利用XMM-Newton望遠鏡和NuSTAR太空望遠鏡同時觀測在NGC 1365星系中的黑洞，XMM-Newton望遠鏡發現由鐵發出的光被扭曲，而NuSTAR太空望遠鏡則證明這種扭曲是由黑洞的重力所造成，而非受周遭的雲氣影響。NuSTAR的高能X射線觀測資料顯示鐵離黑洞非常近，因此黑洞的重力必然是造成扭曲效應的原因。
排除了扭曲效應是由雲氣所造成的影響之後，科學家便能利用扭曲的程度來測量黑洞自旋的速率，這樣的方法也能應用在測量其他黑洞的自旋，更能排除之前測量黑洞自旋的不確定性。
【圖一】黑洞自旋的三種模型：第一種狀況是黑洞自旋方向與吸積盤旋轉方向相反，在這種狀況吸積盤會離黑洞較遠；第二種狀況是黑洞沒有自旋，吸積盤與黑洞的距離次之；第三種狀況是黑洞自旋方向與吸積盤旋轉方向相同，此時吸積盤與黑洞的距離最近。
右圖中的峰值來自於鐵原子環繞吸積盤所發出的X射線，當吸積盤內緣離黑洞越近，黑洞強大的重力會使得鐵發出的X射線能量較為分散（最下列的狀況）。天文學家可以靠X射線能量分散的程度來知道吸積盤離黑洞有多近，由於兩者的距離取決於黑洞的自旋，因此便能決定黑洞自旋速率。
美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡的工作波段是 3到79 keV，而歐洲太空總署XMM-Newton 望遠鏡的工作波段是 0.1到10 keV。
【圖二】先前有兩種不同的模型解釋為何鐵發出的X射線能量較為分散：第一種模型認為是由於黑洞強大的重力所造成的時空扭曲所導致，若此模型正確，我們便能藉由扭曲的效應推測黑洞的自旋速率；第二種模型則認為，黑洞周圍的雲氣阻擋是造成X射線能量分散的原因，那我們便不能利用這種觀測方法來測量黑洞自旋。
NuSTAR 太空望遠鏡在高能X射線的觀測證明了這種扭曲效應來自於吸積盤而非雲氣，再加上XMM-Newton望遠鏡的觀測資料，便能準確測量黑洞的自旋速率，更證明了重力扭曲的模型才是正確的。
【圖三】美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡 的工作波段是3到79 keV，觀測較高能的X射線；而歐洲太空總署XMM-Newton 望遠鏡的工作波段是 0.1到10 keV，觀測較低能的X射線－兩者的工作波段互補。美國太空總署錢卓X射線望遠鏡和XMM-Newton 望遠鏡的工作波段類似，但著重在影像觀測，XMM-Newton 則著力於獲取光譜資訊。
【圖四】NuSTAR太空望遠鏡在高能X射線的觀測資料，排除了是由雲氣阻擋所造成的扭曲效應，因此我們便能利用XMM-Newton望遠鏡在低能X射線的觀測資料來估算黑洞自旋速率。
實線是兩種解釋XMM-Newton先前在低能X射線波段對螺旋星系NGC 1365觀測結果的理論模型：紅線的模型認為是由於黑洞周圍的塵埃雲氣阻擋，而綠線的模型是認為鐵的發射線被相當靠近黑洞的吸積盤內緣反射。
藍點是XMM-Newton最新的觀測結果，黃點則是NuSTAR的觀測資料。兩種模型都能解釋XMM-Newton的資料，但只有吸積盤反射模型符合NuSTAR的觀測結果。
因此左側的鐵線特徵是因為黑洞的強大重力所造成，而非周遭的雲氣阻擋，天文學家便能利用鐵線能量分散的程度來推測黑洞的自旋速率。
Editor: Seline
引用自臺北天文館之網路天文館網站
http://tamweb.tam.gov.tw/v3/TW/content.asp?mtype=c2&idx=980
新聞來源：NASA
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013-075
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