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寻找中量级“怪物” 为解释特大黑洞起源提供线索

2018-06-14 09:44 来源:《中国科学报》 
2018-06-14 09:44:09来源:《中国科学报》作者:责任编辑:张佳兴

  在一个星系中央,一个巨大的黑洞驱动了一股电离气体。图片来源:Lynette Cook/SOFIA/NASA

  巨大的黑洞是如何形成的?天文学家一直以来都掌握着这样的证据:星系中心有的“婴儿期”黑洞质量不超过数十个太阳,但其中也有相当于太阳质量数百万或数十亿倍的庞然大物。但相当于太阳质量数千或数万倍的中等大小的黑洞似乎消失了。它们的消失让理论学家提出,超大质量黑洞不是通过缓慢吞噬物质逐渐增长的,而是通过某种方式直接以现有的庞然大物的形式出现。

  现在,天文学家似乎已定位到一些“消失的”中等质量黑洞。一个国际团队搜索了星系光谱档案,找到其核心拥有中等质量黑洞的300多个小星系。通过了解其他的数据集,他们证实,其中有10个候选星系的确有中等质量黑洞,这增加了他们的信心,即最初的名单“一定包括至少数十个真正的中等质量黑洞”,该团队负责人、美国马萨诸塞州剑桥市史密森尼天体物理观测站的Igor Chilingarian说。

  智利圣地亚哥天主教大学研究者、并未参加此项研究的Ezequiel Treister赞扬了该团队的工作。“黑洞测量非常困难,我们尝试做这些已经很多年。”得克萨斯大学奥斯汀分校的Volker Bromm说,该团队的技术“非常新颖”,并称他们的工作“认真负责”。研究人员说,这些发现或可揭开超大质量黑洞形成之谜。

  实际上,任何大小规模的黑洞都很难被发现,因为它们自己不会发光。它们会通过吸入附近的气体和尘埃暴露自己,在此过程中,气体和尘埃会被剧烈加热,从而释放出X射线。许多星系中心散发的X射线会揭示超大质量黑洞的存在,即所谓的活动星系核(AGN)。但中等质量黑洞散发的X射线信号会很微弱,现有的X射线卫星都是针对远距离天体进行详细观测,而不是对多个星系进行广泛的调查。例如,美国宇航局(NASA)的钱德拉X射线天文台的档案仅覆盖了2.5%的天空。

  因此,Chilingarian的团队在斯隆数字天空调查(SDSS)中收集的93万个星系光谱中寻找一种替代性的可见光信号。星系核球中氢气AGN电离云产生的X射线会在星系周围膨胀,使它们在特定的频率下发光,在星系光谱中产生不同的峰值。距离黑洞最近的电离云高速环绕黑洞旋转,它通过多普勒效应改变频率并抹去每个光谱峰值。更远的气体云则移动得更慢,因此峰值仍然尖锐。为了识别拥有小AGN的星系,该研究团队寻找了特殊的光谱峰,这些光谱峰在顶部很尖锐,但底部被抹掉了。

  科学家搜索SDSS目录得到了305个候选者。由于其他短暂的现象也可能模仿关键信号,该团队还核对了在不同时间收集的其他观测结果,以确保候选星系显示出相同的模糊峰值。他们还用智利的巨型麦哲伦望远镜观测了一些星系。但AGN的关键之处是“泄密”的X射线信号,为此该团队搜索了NASA的钱德拉和斯威夫特卫星以及欧洲的X射线多镜任务的存档观测资料,从而了解自己是否碰巧观测到了其中的一些候选者。该团队在近日发表于预印本服务器arXiv并提交给《天体物理学杂志》的一篇论文中报告说,最终的结果是包括10个中等质量黑洞的简短名单。

  即使是这样小的数目也挑战了近来关于超大质量黑洞如何形成的思考。理论学家需要一种渐进增长的简单替代方案,这不仅因为此前中等质量黑洞“消失了”,还缘于天文学家已发现巨大的类星体——非常明亮的AGN,它们在宇宙还不到10亿年时就在发光。哈佛大学理论学家Avi Loeb问道:“巨大的黑洞怎么会在那么早的时候长得如此大?”

  Loeb等人提出,在早期宇宙中,巨大的气体云直接坍缩成巨大的黑洞,其质量相当于太阳的10万到100万倍,形成了早期类星体的种子。这种情况或可解释大黑洞形成速度和缺乏中等质量黑洞的原因。

  然而,新的结果表明,至少有一些超大质量黑洞是由更小的种子产生的。这10个被确认的中等质量黑洞符合一种逐渐增长的模式:它们的质量与围绕其星系核球的大小相关,表明每个黑洞都在与宿主同步增长。Treister说,显而易见的结论是“并非只有一种情况,而是两种情况都会发生。现在的问题是哪种情况更常见”。

  Bromm说,直接坍缩可能仅在非常早期的宇宙中才会发生,因为那时恒星和星系的构建材料不同。大爆炸产生的只有氢和少量氦。更重的元素在数百万年后加入该混合物,早期恒星形成这些元素并在其死后将其驱散。一旦较重的元素存在,它们帮助原始气体冷却,因为它们在高温下电离,导致气体发光并散发热量。更冷的气体云更有可能分裂成许多恒星,即小黑洞的种子。Bromm表示,与此形成对比的是,在暗物质的微弱引力作用下,热气体云可能会坍缩成一个巨大的天体。他承认,这种现象非常罕见,在某种程度上是“宇宙奇迹”。

  找出哪种情况占主导地位的唯一方法是找到更多的中等质量黑洞。Chilingarian说,当前的障碍是缺乏X光观测。德国制造的一架名为eROSITA的X射线望远镜预计将于今年年底或明年年初依托俄罗斯Spektr-RG天文台发射。“它将会产生非常好的数据集。”Chilingarian说。他打赌该望远镜将能确定另外数百个中等质量黑洞,从而为黑洞的起源提供更多线索 。(晋楠编译)

[责任编辑:张佳兴]

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