在小型星系尋找大質量黑洞_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陸寅楓

校對：郭皓存

編排：胡暖暖

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/more-big-black-holes-found-in-small-galaxies/

在搜尋大質量黑洞的過程中，天文學家在一些小型星系中發現了它們的身影。這些星系是迄今發現的含黑洞星系中最小的。

這張藝術想象圖描繪了這樣一幅光景：一個大質量黑洞出現在一個扭曲的矮星系外側，這顆黑洞正在從周圍吸收物質以形成一個旋轉的吸積盤，並且向外噴射着物質流。Credit: Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF

在幾個遙遠的矮星系中，天文學家新發現了13個大質量黑洞，並且其中超過一半的黑洞都不在這些星系的中心。

大型黑洞通常位於宿主星系的核心。事實上，幾乎每一個大型星系在其中心都有着一顆超大質量黑洞。但是，當星系之間相互作用或是黑洞融合時，這些黑洞有可能會被踢出核心區域，從而開始在星系外側遊蕩和掠奪物質。

在像我們銀河系這般大小的星系中可能存在着許多這樣的“偷渡者”。較小的矮星系尤其容易受到引力擾動的影響，所以在這些星系中黑洞也更容易從中心被挪出。最近的一項研究通過計算機模擬指出，一個矮星系中有大約一半的大型黑洞都在遠離星系核的區域流浪着。

在過去幾年中，蒙大拿州立大學的艾米·蕾妮斯（Amy

Reines）和她的同事們一直在小型星系中搜尋着大質量黑洞的身影（這些大質量黑洞體型比超大質量黑洞小，但是形成機制應該是一樣的）。通過這項研究，蕾妮斯的團隊試圖弄清楚一個大質量黑洞的體型可以有多小，並且這些小型大質量黑洞佔多大的比例。這些信息或許可以讓天文學家理解最早的一批大型黑洞是怎麼形成的。

一個棘手的問題是，這些小型大質量黑洞並不是那麼好找。在可見光和紅外線波段，它們經常被恆星形成或是塵埃等隱藏。蕾妮斯的團隊目前已經發現了151個有着活動星系核（Active Galactic Nuclei, AGN）的矮星系。在這些活動星系核，黑洞正在吞噬着熾熱的氣體。但是這種觀測只能找到那些最亮的黑洞——那些最貪婪的吞噬者。

天文學家在13個矮星系發現的大質量黑洞（紅色十字標註的位置）。上圖都是在可見光和紅外線波段拍攝的。可以看見有些黑洞距離星系中心非常遙遠。Credit: A. E. Reines et al.

蕾妮斯的團隊現在已經改變方向，轉而在無線電波段進行觀測了。活動星系核發出的無線電波可以很容易地穿透厚厚的塵埃，而位於新墨西哥州的甚大天線陣（Very Large Array, VLA）提供了這些無線電波的精確位置源。從更大的樣本空間中進行選擇後，天文學家挑出了111個矮星系，這些矮星系在無線電數據和光學數據中都有被記錄。其中質量最大的接近大麥哲倫星系——銀河系周圍質量最大的矮星系。這些矮星系平均距離我們2.3億光年之遙。

在這111個矮星系中，35個含有緊實的無線電波發射區。而在這35個矮星系中，13個矮星系的無線電源實在是太亮了，不可能是恆星形成或是超新星所致的。我們幾乎可以肯定這些無線電源都是活動星系核。

蕾妮斯在1月7日於檀香山舉辦的冬季美國天文學會會議上介紹了這項研究，而研究成果發表在了1月1日的天文物理期刊上。

蕾妮斯的團隊並不知道這些黑洞的質量。但是，如果他們假設這些大質量黑洞的質量與其宿主星系的總質量間存在的關係與超大質量黑洞一致的話，便可以推出這些黑洞的質量在1.3萬倍至63萬倍太陽質量之間，平均質量約為40萬倍太陽質量。他們果斷地將這些黑洞歸為天文學家迄今發現的質量最小的大型黑洞。

這些新發現的黑洞絕大多數都遠離其宿主星系中心。部分星系呈拉長或扭曲狀，有可能是由過去與其它星系的相互作用導致的。有趣的是，在可見光波段發現的活動星系核都正常地出現在矮星系的中心，這或許意味着無線電波段的觀測可以讓天文學家接觸到他們不曾能探測到的一類黑洞。

最早的大型黑洞是如何形成的？

蕾妮斯稱，目前天文學家已經在眾多矮星系中發現了大約一兩百個大型黑洞的候選天體。在前文所述的美國天文學會會議上，除了蕾妮斯的團隊所介紹的成果外，來自史密松天體物理台的伊戈·奇林格里安（Igor

Chilingarian）介紹了另外一部分成果。他的團隊通過最新的和已存檔的X射線波段觀測數據發現了14個大質量黑洞的蹤跡。如果假設這些被觀測天體確為黑洞，格林奇里安估計它們的質量大約在3萬至20萬倍太陽質量之間。

NGC 4395是所有含超大質量黑洞的矮星系中最典型的之一。位於其中心的黑洞質量高達300000倍太陽質量。Credit: D. W. Hogg/M. R. Blanton/SDSS/NRAO/AUI/NSF

產生大質量黑洞的可能方法不止一個。第一代恆星很有可能體型巨大，當它們死去的時候可以形成約100倍太陽質量的黑洞，然後這些黑洞可以通過吸入周圍的氣體或是合併等方式增加質量。不過，這是需要相當長的時間的。另外還有一種方法，如果早期宇宙中的各項條件正好符合要求的話（這是一種非常微妙的平衡），氣體雲可以直接塌縮成約1萬至10萬倍太陽質量的黑洞。

如果由恆星死亡而形成的黑洞佔大多數的話，我們應該能在矮星系中看到許多小型大質量黑洞。反之，如果氣體雲直接塌縮是主流的形成原因的話，小型大質量黑洞應該非常少見。

正是為了解決前面這個問題，像蕾妮斯和奇林格里安這樣的天文學家投入到了他們的研究中。不過，我們很有可能並不能在近期得到足夠的觀測數據來給出一個確定的答案。奇林格里安説：“目前的觀測技術還不足以發現大量的1萬倍太陽質量左右的黑洞，所以我們也沒辦法較好地評判這兩種形成原因。”同時，蕾妮斯的一位同事，普林斯頓大學的詹妮·格林（Jenny

Greene）指出，在黑洞的生長過程中有太多的不確定因素所以斷定它們的形成原因是非常困難的。但是，計數那些偏離中心的黑洞可能是至關重要的，因為它們基本上一直處在不那麼活躍的狀態。

『天文時刻』 牧夫出品

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ESA的太陽系探索艦隊

原圖鏈接：https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/02/ESA_s_fleet_of_Solar_System_explorers