宇宙深处,科学家发现了一个“中介质量黑洞”

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编者按:一般认为,当大质量天体演化末期,其坍缩核心的质量超过了太阳质量的3.2倍时,由于没有能够对抗引力的斥力,核心坍塌将无线进行下去,从而形成我们所说的“黑洞”。过去的天文观测表明,宇宙中较为多见的是超大质量黑洞或是很小的黑洞,而却很少有质量为数百个或数万个太阳质量的中介质量黑洞出现。而天文学家在近年的观测中,发现了类似中介质量黑洞的天体存在,让黑洞的进一步研究有了头绪和眉目。阅读本文,了解更多关于为什么中介质量黑洞与宇宙形成的秘密息息相关。本文是译自《纽约时报》中标题为“Deep in the Cosmic Forest, a Black Hole Goldilocks Might Like”的文章,作者 Dennis Overbye

宇宙深处,科学家发现了一个“中介质量黑洞”

这张照片是由哈勃太空望远镜拍摄,图中白色圆圈标出的部分便是被拍到的一个中介质量黑洞,它被命名为3XMM J215022.4-055108。图片来源:NASA, ESA and D. Lin/University of New Hampshire

七亿四千万年前,一颗星星消失在了X射线的大爆发中。

2006年,当NASA的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)和欧洲航天局的XMM-牛顿太空天文台(XMM-Newton)共同探测到来自银河系遥远角落的微弱辐射时,才发现了那次X射线的大爆发。

对于一直在寻找黑洞踪影的新罕布什尔大学(University of New Hampshire)的天文学家林大成(Dacheng Lin)来说,这些信号是一颗恒星被黑洞吞噬后的标志性残迹,它如同火焰熄灭前形成的弧线,抑或浩瀚宇宙唇边的涎水。

这类事件往往是由超大质量的黑洞所造成的,就好比我们银河系中心黑洞的那种规模。但这个X射线的信号却并不来自于我们或任何其他星系的中心。

这X射线更像是黑洞内一个逐渐消失的神秘微笑。它可能来自一个距离地球7.4亿光年的碟形星系的边缘,在宝瓶座方向,但比这个星座的所有恒星都还要更远。

这意味着,林博士有充分的理由认为,他发现了宇宙中最为罕见且一直被天文学家们苦苦追寻的天体之一——中介质量黑洞。

“中介”这个词可能用词不当。如果林博士是对的,他(或者更确切地说,是那颗不幸的恒星)偶然发现了一个引力相当于5万个太阳的无形黑洞。林博士在3月份于《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters)上发表了一篇论文,正是描述了宇宙中这一黑洞的“不劳而获”。

黑洞是爱因斯坦广义相对论衍生的产物,最初并不太受待见,该理论将引力解释为质量和能量对时空的扭曲,就像一个胖子睡在床垫上形成的凹陷一样,极大的质量集中在同一个地方会导致时空扭曲以至于超出它的极限,甚至能把光线永久地困在单向隧道里,无法逃逸。

爱因斯坦并不喜欢关于黑洞的设想,但是天文学家却发现宇宙中其实到处都是黑洞。许多黑洞都是超大恒星在耗尽热核燃料继而坍塌之后形成的残骸,有时它们会发生碰撞,时空便会产生涟漪,天线也会像LIGO的引力波探测器一样格格作响。

宇宙中散布的这些恒星幸存下来形成的黑洞,质量往往是太阳的几倍。而在遥远宇宙的另一个尽头则是那些处在各自星系中心的超大型黑洞,其质量相当于数百万个太阳。这些超大质量黑洞向外发射出巨大能量,形成我们观测到的类星体。

没人知道这些超大质量黑洞是从哪里来的,也没人知道它们是怎么变成这么大的。澳大利亚的天文学家们在两年前发现了一个黑洞,其在宇宙形成仅有几十亿年的时候开始膨胀,如今质量已是太阳的200亿倍。

天文学家们多年来一直在苦苦寻找这些听起来像神话怪物一样,即黑洞这一链条中缺失的一环:那些质量刚好是太阳的几千或几十万倍的中介质量黑洞。

芝加哥大学(University of Chicago)天体物理学家丹尼尔·霍尔茨(Daniel Holz)在一封电子邮件中表示:“中介质量黑洞确实很吸引人,从某种意义上说,它们正在成为黑洞研究领域的前沿。”

丹尼尔还提到:“为什么宇宙中只有质量很大或者很小的黑洞,而没有质量中介的黑洞呢?一点儿也不符合“金发姑娘”原则(意指适度原则)。然而这个问题之所以会如此困扰天文学家们,其实和黑洞的起源是有关系的。”

整个星系的质量与其中心黑洞的质量之间有一种隐含的相关性,即星系质量越大,该黑洞也质量相应也就越大。因此,天文学家们就宇宙是如何形成的这一问题总结出了一个大致的理论,即那些小星系及它们中心的小黑洞在聚集成越来越大的恒星群时,每个星系中心的黑洞也都会变得越来越大。

那些相当于数百个或数万个太阳质量的中介质量黑洞,有望被认为是较小矮星系的中心。但也正因如此,想要发现它们就比较难了。

一般只有在黑洞吞噬周围星体时,我们才会发现它们。在双星系统中,当黑洞吞噬它们的同伴时,就会引起人的注意。但生活在矮星系中的中介质量黑洞一般几乎很少有什么东西能被它们所吞噬。

法国图卢兹天体物理与行星研究所(Institut de Recherche en astroet Planetologie)的天文学家娜塔莉·韦伯(Natalie Webb)是XMM-牛顿太空天文台团队的成员,也是这篇论文的作者之一,她说:“只有当气体和尘埃落在上面时,我们才能观测到这些中介质量黑洞,当这种情况发生时,它们的亮度不如那些超大质量黑洞,但它们通常和超大质量黑洞一样远(如果不是更远的话),所以对于我们的天文台来说,它们的光的确太暗了。”

她还补充道,实际上只有中介质量黑洞在吞噬别的恒星时,它们才处于可见状态,而这种情况在任何一个星系,每一万年才会发生一次。

这么来看,林博士可能真的非常幸运。他的团队将这个被发现的中介质量黑洞命名为3XMM J215022.4-055108,这是目前已知的第二个比较好的候选观测源。

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宇宙深处,科学家发现了一个“中介质量黑洞”

哈勃望远镜所拍摄的J2150-0551周围的图像。1farcs2×1farcs2的绿色方框(放大图见左上角)在观测源附近并以观测源为中心。Gal1是源星系的主要宿主星系,在源星系附近可能有一个卫星星系Gal2,它可能通过潮汐流与Gal1相连。图片来源:林大成等,2020年发表于《天文与天体物理学》

但也有一种可能是他并没有那么幸运,可能只是在我们自己的星系中发现了超新星爆炸后遗留下来的一颗高密度中子星的爆发而已。

林博士和他的团队用哈勃太空望远镜和XMM-牛顿太空天文台对其进行进一步观测,他们利用X射线辐射追踪到一个远在银河系之外宽度约80光年的致密恒星结,位于一个名为Gal1的遥远星系的边缘。

巧的是,在2005年,天文学家利用位于莫纳克亚山(Mauna Kea)的CFH望远镜(Canada-France-Hawaii Telescope)记录下了同一地点的一次光线爆发,那有可能是第一次致命一击。

除此之外,天文学家们所认定的一个小星系核心被另一个更大核心吞噬之后的形态与这个恒星结精确吻合,并且这也符合星系通过吞并而聚集的观点。

韦伯博士表示:“这是个好消息,因为天文学家曾认为中介质量黑洞大概率是存在于矮星系中的。”

曾几何时,中介质量黑洞是其小矮星系的中心,而现在却成了一个“空巢老人”,它周围的大部分恒星都消失了,而它自己也终将被Gal1星系中心更大的黑洞所吞噬。

林博士在最近的论文中写道:“鉴于此,新的观测结果证实了这一观测源是最佳的中介质量黑洞观测源之一。”

这只是寻找缺失的黑洞链条中几个不错的候选观测源之一。另一个中介质量黑洞HLX-1是在2009年被很多同样的天文学家所发现,它位于一个名为ESO 243-49的遥远星系的边缘地带,也处在一小群恒星的中间,看起来像一个矮星的残骸,质量大约相当于20000个太阳。

然而,在HLX-1的例子里可以看到,其X射线似乎来自于一个吸积盘,这是个高温且在黑洞边缘外一直旋转的环状物质——这些物质周期性地从围绕黑洞旋转的恒星上撕扯下来。

韦伯博士是HLX-1的主要发现者,她说:“这颗恒星不断回到相似的位置,不断有更多的质量被剥离掉,落入黑洞。我们现在已经观测到了HLX-1的8个X射线耀斑,而且是通过许多不同类型的望远镜所观测到的。”

林博士在太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)发表的一份声明中说,HLX-1与最新发现的候选黑洞观测源的主要区别在于“新的黑洞观测源正在撕裂一颗恒星,这是一个极有力的证据,能证明它是个巨大的黑洞。”

尚未得到解答的是,如此巨大能吞噬一切的黑洞漩涡从何而来。宇宙似乎需要一些重组,黑洞便是其中的关键,但天文学家仍在努力将将目前所有被发现的线索完整拼起来。

对于质量是太阳3到100倍的“普通”黑洞是如何由大质量恒星坍缩和爆炸形成的,天文学家们有相当深刻的认识。但是,宇宙形成至今,并没有足够的时间让这种黑洞增长数百万倍或数十亿倍,从而变成我们今天所观测到的超大质量的黑洞。

韦伯博士认为“它们一定是由别的什么东西形成的”,别的东西其实指的就是中介质量黑洞。当它们的母星系合并成更大的星系时,这些中介质量黑洞也会被拖到一起。

林博士认为,人们普遍愿意相信,超大质量的黑洞可以在星系碰撞合并时由那些在此过程中被拉到一起的中介质量黑洞所形成。

其中不太确定的是,这些中介质量的黑洞又是从何而来呢?它们质量巨大,不太可能是恒星坍塌的结果。林博士说,其中一种可能性为它们是由星团中的那些大质量恒星失控合并形成的。

韦伯博士提到另一种观点,认为它们是宇宙中第一代恒星的遗留物。天文学家已经计算出这些只由宇宙大爆炸中即时产生的原始氢和氦所组成的恒星,可能比如今的恒星质量大得多,并且生成那些能够演变为黑洞链条中所缺失的中介质量黑洞的巨大黑洞。

事实上,一些天文学家推测,由原始气体或暗物质形成的密度极大的星云可能完全绕过恒星阶段,直接坍缩成黑洞。

芝加哥大学的霍尔茨博士认为,不管怎样,中介质量黑洞“是恒星大小的黑洞和超大型黑洞之间缺失的一环……如果我们确信能探测到这些黑洞,就能深刻了解宇宙中所有的黑洞都是如何形成的。”

同时他补充道:“如果没法做到这一点,理论家们就需要加倍努力,去解释一个新生的宇宙是如何形成那些巨大的黑洞的。”

译者:Hailey

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