天文學家發現宇宙殺手的最佳證據:一個被稱為「中等質量」的黑洞

2020-12-27 賊有趣哦

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天文學家發現了宇宙殺手的最佳證據：一個被稱為「中等質量」的神秘的黑洞，它撕裂了一顆離它太近的任性的恆星，從而暴露了它的存在。

黑洞的質量大約是太陽的5萬倍，比位於大型星系核心的超大質量黑洞(數百萬或數十億倍太陽質量)要小，但比大質量恆星坍縮形成的恆星質量黑洞要大。

這些所謂的中等質量黑洞(IMBHs)是黑洞演化過程中一個長期尋找的「缺失環節」。儘管還有其他一些IMBH候選者，但研究人員認為這些新發現是迄今為止宇宙中黑洞的最有力證據。

它利用了兩個X射線天文臺的強大力量以及NASA哈勃太空望遠鏡的敏銳視野，最終鎖定了這隻宇宙怪獸。

這幅圖描繪了一場宇宙間的謀殺。一顆恆星正在被一個包含數萬個太陽質量的黑洞的強大引力撕碎。恆星殘骸在黑洞周圍形成了一個吸積盤。來自超高溫氣體盤的X射線光提醒天文學家黑洞的位置；否則它就會潛伏在黑暗中。這個神秘的物體被歸類為中等質量黑洞(IMBH)，因為它比位於星系中心的巨型黑洞要小得多。因此，IMBHs大多是靜止的，因為它們吸的物質不多，而且很難找到。哈勃望遠鏡的觀測提供了證據，證明IMBH存在於一個稠密的星團中。星系團本身可能是矮星系的簡化核心。

圖片來源：NASA, ESA and D. Player (STScI)

「中等質量的黑洞是非常神秘的物體，因此仔細考慮並為每個候選黑洞提供不同的解釋是非常重要的。這就是哈勃望遠鏡為我們的候選黑洞所做的。」這項研究的首席研究員，新罕布夏大學的林大成說。研究結果發表在2020年3月31日的《天體物理學雜誌通訊》(Astrophysical Journal Letters)上。

這個發現的故事讀起來就像夏洛克·福爾摩斯(Sherlock Holmes)的故事，需要一絲不苟、一步一步地構建案件，才能抓住罪犯。

林和他的團隊使用哈勃望遠鏡追蹤了美國宇航局錢德拉X射線天文臺和歐洲航天局（歐洲航天局）X射線多鏡任務（XMM-Newton）的線索。2006年，這些衛星探測到了強大的X射線耀斑，但無法確定它是起源於我們銀河系的內部還是外部。研究人員認為，這是由於一顆恆星在過於接近一個引力強大的緻密物體(如黑洞)後被撕裂造成的。

令人驚訝的是，這個名為3XMM J215022.4055108的X射線源並不位於星系中心，而星系中心通常是大質量黑洞居住的地方。這使人們相信IMBH是罪魁禍首，但首先必須排除X射線耀斑的另一個可能來源：我們自己的銀河系中的中子星，在加熱到非常高的溫度後會冷卻下來。中子星是恆星爆炸後的殘餘物。

哈勃太空望遠鏡對準了X射線源，以確定其精確位置。高解析度的深空成像提供了強有力的證據，證明X射線並非來自我們星系中的一個孤立源，而是來自另一個星系外圍的一個遙遠而稠密的星團——這正是天文學家期望發現IMBH的地方。哈勃（Hubble）先前的研究表明，星系中心的黑洞的質量與該星系的中央隆起成正比。換句話說，星系質量越大，黑洞質量就越大。因此，3XMM J215022.4055108所在的星團可能是一個低質量矮星系的剝離核心，該矮星系由於其與當前更大的星系宿主的密切相互作用而受到引力和潮汐的幹擾。

天文學家已經找到了被稱為「中等質量」的神秘的黑洞的最佳證據，它撕裂了一顆離它太近的恆星，從而暴露了它的存在。這一令人興奮的發現打開了一扇門，有可能會有更多的恆星潛伏在黑暗中，等著被離得太近的恆星發現。

來源：NASA’s Goddard Space Flight Center

IMBH尤其難以發現，因為它們比超大質量黑洞小且活動性低。它們沒有現成的燃料來源，也沒有強大的引力來吸引恆星和其他會產生X射線光芒的宇宙物質。天文學家必須抓住一個正在吞噬恆星的黑洞。林和他的同事們對XMM-Newton數據檔案進行了梳理，搜索了成千上萬的觀測結果，找到了一個IMBH候選者。

被撕碎的恆星發出的X射線使天文學家們得以估算出黑洞的質量為5萬個太陽質量。黑洞的質量是根據X射線光度和光譜形狀來估計的。「這比以往只使用X射線發光度來確定IMBH候選星系要可靠得多。」林說，「我們之所以可以用光譜擬合來估計我們的天體的IMBH質量，是因為它的光譜演化表明，它一直處於熱光譜狀態，這種狀態在恆星質量的黑洞的吸積中很常見，也很容易理解。」

這張哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像確定了一個中等質量黑洞的位置，它的質量是太陽的5萬倍(比星系中心的超大質量黑洞要小得多)。這個黑洞被命名為3XMM J215022.4055108，用白色的圓圈表示。這種神秘的黑洞首次被發現是在一顆恆星被黑洞捕獲並摧毀時，恆星釋放出的熱氣體釋放出的x射線。哈勃需要在可見光中精確定位黑洞的位置。哈勃的高解析度深空成像顯示，黑洞位於一個密集的恆星群中，遠在我們的銀河系之外。星系團位於圖片中心的星系附近。看起來較小的背景星系似乎散布在圖像周圍，包括一個正面的旋臂就在中央前景星系的上方。這張照片是用哈勃先進的巡天照相機拍攝的。

來源：NASA, ESA and D. Lin (University of New Hampshire)

這個物體並不是第一個被認為可能是中等質量黑洞的候選者。2009年，哈勃太空望遠鏡與斯威夫特天文臺(Swift observatory)和歐洲航天局(ESA)的XMM-Newton合作，確定了位於銀河系ESO 243-49邊緣的被稱為IMBH（稱為HLX-1）。它也位於一顆年輕的藍色恆星團的中心，這可能是一個被剝奪的矮星系核心。X射線來自黑洞周圍的熱吸積盤。林說：「主要的區別在於，我們的目標正在撕裂一顆恆星，這提供了有力的證據，證明它是一個巨大的黑洞，而不是人們經常認為包括HLX-1在內的先前候選者的恆星質量的黑洞。」

發現這個IMBH後，可能會有更多的黑洞潛伏在黑暗中未被發現，等待著被一個離得太近的恆星暴露。林計劃使用他的團隊已被證明成功的方法繼續進行細緻的偵探工作。許多問題有待回答。IMBH是否會產生超大質量黑洞？IMBH本身如何形成？密集的星團是他們的最愛嗎？

哈勃太空望遠鏡是NASA與ESA（歐洲航天局）之間國際合作的項目。位於馬裡蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心負責管理該望遠鏡。位於馬裡蘭州巴爾的摩市的太空望遠鏡科學研究所(STScI)負責哈勃的科學運作。STScI由位於華盛頓特區的天文學研究大學協會為NASA運營。

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