好像黑洞還不夠神祕似的，最近天文學家使用NASA的哈勃太空望遠鏡發現了一個讓人意想不到的黑洞。在距離我們1.3億光年遠的螺旋星系（spiral galaxy）NGC 3147，有一個吸積盤（accretion disk）在繞著中心的超大質量黑洞旋轉，然而這個材料盤出乎意料的薄。
謎團在於，根據當前的天文學理論，這個薄盤不應該存在。然而，如此接近黑洞的吸積盤的意外存在為測試愛因斯坦的相對論（theory of relativity）提供了一個獨特的機會。廣義相對論（general relativity）將重力描述為空間曲率，狹義相對論（special relativity）則描述時空關係。
左圖是旋渦星系NGC 3147的哈勃圖像，右圖是該星系中心超大質量黑洞的概念圖。哈勃圖像顯示了星系的旋臂（spiral arm）、藍色的年輕恆星、粉紅色的星雲、和輪廓上的灰塵。實際上，在這個漩渦星系中心潛伏著一個巨大的黑洞，質量約為2.5億太陽質量。哈勃對黑洞的觀測展示了愛因斯坦的兩個相對論。在中心周圍旋轉的紅/黃色部分是被黑洞引力捕獲的氣體所發出的光。綠色網格顯示黑洞嵌入其引力場深處，說明了彎曲的空間。引力場是如此強大以至於光都要努力逃出來，這是愛因斯坦廣義相對論中描述的一個原理。物質在黑洞周圍快速旋轉，使得吸積盤向我們運動的那一側會變亮，而另一側因為遠離地球而變暗。愛因斯坦的狹義相對論預測了這種稱為相對論性射束（relativistic beaming）的效應。NGC 3147位於距離我們1.3億光年外的北拱極星座（northern circumpolar constellation）天龍座（Draco）。
Credits: Hubble Image: NASA, ESA, S. Bianchi (Università degli Studi Roma Tre University), A. Laor (Technion-Israel Institute of Technology), and M. Chiaberge (ESA, STScI, and JHU); illustration: NASA, ESA, and A. Feild and L. Hustak (STScI)
“我們從未在可見光下如此清楚地同時看到廣義相對論和狹義相對論的作用，”來自歐洲空間局、太空望遠鏡科學研究所（STScI）和約翰霍普金斯大學（都位於馬里蘭州巴爾的摩）、哈勃研究的團隊成員Marco Chiaberge說道。
該研究的第一作者，羅馬第三大學（Università degli Studi Roma Tre，位於意大利羅馬）的Stefano Bianchi補充說，“這是一個非常接近黑洞的吸積盤，近到以至於速度和引力的強度開始影響光子。除非我們考慮相對論，否則無法解釋這些數據。”
像NGC 3147這種星系，因為沒有足夠的重力來捕獲物質從而定期餵食黑洞，黑洞會“營養不良”。因此，薄薄的一層材料會像甜甜圈一樣膨脹，而不是形成薄餅狀的盤。這就非常令人費解了：為什麼NGC 3147中這個“捱餓”的黑洞會有如此薄的吸積盤，跟其他極其活躍的星系中發現的很像，而這些星系往往都有著正在“狼吞虎嚥”的巨大黑洞。
來自以色列理工學院（位於以色列海法）的Ari Laor解釋道，“我們以為這是個最好的證據，能確認在一定光度（luminosity）以下，吸積盤不再存在。實際觀測的卻完全出乎意料。我們發現氣體運動的特徵，這些現象的唯一解釋是，它們是由非常靠近黑洞的物質薄盤產生的。
天文學家最初選擇這個星系的目的，是來驗證關於低光度活動星系（即包含“節食”的黑洞）的模型。模型預測，當黑洞強大的引力可以束縛大量氣體時，會形成吸積盤。這些落入黑洞的物質會發出大量的光，最強大的黑洞會產生稱為類星體（quasar）的超亮天體。一旦只有少量材料落入黑洞，吸積盤就會開始分解，變得更暗，結構也會隨之改變。
“我們看到的吸積盤是我們原本預計不存在的小型類星體，”Bianchi說，“對於相同類型的吸積盤，發光量應該是它的1000甚至100000倍。顯然，對於活動非常微弱的星系，目前的氣體動力學模型預測都失敗了。”
根據愛因斯坦的相對論，吸積盤深深嵌入黑洞強烈的引力場中，導致來自氣盤的光受影響，這個現象使天文學家能夠獨特地觀察黑洞附近的動態過程。
哈勃記錄了物質在黑洞周圍旋轉的速度，超過0.1光速。在這些極限速度下，氣體在向地球運動的那一側會變亮，而在另一側遠離地球時會變暗（relativistic beaming）。哈勃望遠鏡的觀測還表明，氣體被牢牢地困在重力井（gravitational well）中，光都在努力爬出來，因此看起來光被拉伸到更紅的波長。
研究人員使用哈勃太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）來觀察在盤內深處旋轉的物質。光譜儀（spectrograph）是一種診斷工具，它將來自物體的光分成多個單獨的波長，以非常高的精度確定其速度、溫度、和其他特性。天文學家需要STIS清晰的分辨率來分離出來自黑洞區域的微弱光線並阻擋星光的汙染。
“如果沒有哈勃望遠鏡，我們就無法得到這個結果，因為黑洞區域的光度很低，”Chiaberge說道，“星系中恆星的光度比核心的任何物體都要亮。如果從地面觀察它，我們就會被恆星的亮度完全支配，這會淹沒黑洞微弱的光。”
該團隊希望能利用哈勃望遠鏡尋找類似活躍星系中“不太行”的黑洞，更深入研究這些黑洞周圍非常緊湊的吸積盤。他們的論文於7月11日發表在《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。
參考：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/hubble-uncovers-black-hole-that-shouldnt-exist/