【看圖說故事 02】超大質量黑洞的自旋

林彥興

黑洞及其演化是現代天文物理學中的關鍵研究領域之一。
特別是超大質量黑洞（SMBHs，通常指質量大於一百萬太陽質量的黑洞）的起源以及其與宿主星系的共同演化，被認為是理解星系形成與演化的重要環節。

其中，天文物理學家對超大質量黑洞的「自旋 Spin」特別感興趣，因為自旋攜帶著有關黑洞形成與增長的重要資訊。自旋通常用自旋參數「$a$」來量化，代表黑洞擁有的角動量與根據廣義相對論所允許的最大角動量的比值。因此，對於無自旋的黑洞，$a = 0$；對於最大自旋的黑洞，$a = 1$。

理論上，如果超大質量黑洞主要通過吸積其周圍的氣體增長，氣體的角動量應該使黑洞加速旋轉，最終讓 $a\rightarrow1$。相對的，如果超大質量黑洞主要通過與其他黑洞合併而增長，由於合併的兩個黑洞的自旋方向通常不對齊，因此其自旋分佈的平均值應該較低。因此，通過如 X 射線反射和熱連續譜擬合等觀測技術研究超大質量黑洞的自旋分佈，可以讓我們了解黑洞的成長史。

這張來自 Reynolds (2021) 的圖總結了使用 X 射線反射方法測量的 32 個超大質量黑洞的自旋與其質量的關係。紅色標記代表自旋的下限，藍色標記代表具有明確上限的數據（即可以排除 a = 1）。自旋的誤差線代表 90% 的信賴區間，而質量的誤差線是一個標準差的誤差（對於未估計標準差的系統，假設正負 50% 的誤差）。

根據這一結果，超大質量黑洞的自旋似乎與其質量相關，可以分為兩個群體：

1. 對於質量小於三千萬太陽質量的黑洞，大多數自旋快速，$a \sim 1$，這代表它們主要通過吸積成長。
2. 對於質量大於三千萬太陽質量的黑洞，其自旋的平均值明顯較低，代表它們主要通過合併成長。

儘管存在一些潛在的系統性偏差（如論文第 5.1 章所討論的），且誤差線明顯不小，但這張圖仍很好的展示了超大質量黑洞的自旋測量，如何能幫助我們了解黑洞的成長歷史。

未來，擁有極高光譜解析度的 XRISM 太空望遠鏡將提供更精確的 X 射線反射光譜自旋測量。到 2030 年代中期，歐洲太空總署的 LISA 任務將通過檢測超大質量黑洞合併時發出的重力波，打開自旋量測的新窗口。這些努力將幫助我們理解超大質量黑洞的增長歷史，以及其在星系形成與演化中的角色。