一個超大型黑洞失蹤了,天文學家正在尋找它

2021-01-21 科技領航人

圍繞著超大質量黑洞下落的謎團已經加深了。儘管在NASA的錢德拉X射線天文臺和哈勃太空望遠鏡上進行了搜索,但天文學家沒有證據表明可以找到一個這樣的黑洞,估計該黑洞的質量約為太陽質量的30億至1000億倍。

這個缺失的黑洞應該位於星系團Abell 2261中心的巨大星系中,該星系距地球約27億光年。Abell 2261的合成圖像包含來自哈勃望遠鏡和斯巴魯望遠鏡的光學數據,顯示了星團和背景中的星系,錢德拉X射線數據顯示了遍及星團的熱氣體(粉紅色)。圖像的中部顯示了星團中心的大橢圓星系。

宇宙中幾乎每個大星系的中心都有一個超大質量的黑洞,其質量是太陽的百萬倍或數十億倍。由於中心黑洞的質量通常與星系本身的質量一致,因此天文學家期望Abell2261中心的星系包含一個超大質量的黑洞,其質量可以與宇宙中某些最大的已知黑洞的質量相媲美。

利用錢德拉在1999年和2004年獲得的數據,天文學家已經在Abell 2261大型中央星系的中心搜索了超大質量黑洞的跡象。他們尋找在朝黑洞墜落並產生X射線時已過熱的物質,但沒有發現這種源。

現在,隨著2018年獲得了更長的新的錢德拉觀測值,由安阿伯市密西根大學的凱漢·古爾特金(Kayhan Gultekin)領導的一個團隊對銀河系中心的黑洞進行了更深的搜索。他們還考慮了另一種解釋,其中黑洞是從宿主星系中心彈出的。此暴力事件可能是由於兩個星系合併形成觀察到的星系,同時每個星系中的中心黑洞合併而形成一個巨大的黑洞。

當黑洞合併時,它們會在時空中產生稱為引力波的漣漪。如果這樣的事件產生的大量引力波在一個方向上比另一個方向強,則該理論預測,新的、更大質量的黑洞將在相反方向遠離銀河系中心發出。這稱為反衝黑洞。

天文學家們還沒有找到反衝黑洞的確切證據,也不清楚超大質量黑洞是否彼此足夠靠近以產生引力波並合併。到目前為止,天文學家僅證實了合併的小得多的黑洞。反衝超大質量黑洞的探測將鼓勵科學家利用和開發觀測站,來尋找合併超大質量黑洞的引力波。

位於Abell2261中心的星系是尋找反衝黑洞的極佳星團,因為有兩個間接跡象顯示,兩個巨大的黑洞之間可能發生了合併。首先,哈勃和斯巴魯光學觀測的數據表明,星系核心——星系給定區域的恆星數量達到或接近最大值——對於其大小的星系來說,這個核心比預期的要大得多。第二個跡象是,星系中恆星最密集的濃度距離星系中心2000多光年,這個距離相當遙遠。

這些特徵首先由太空望遠鏡科學研究所(STScI)的馬克·波斯特曼(Marc Postman)及其合作者在其較早的哈勃和斯巴魯圖像中確定,並促使他們提出在Abell 2261中合併黑洞的想法。在合併過程中,超大質量黑洞在每個星系中,它都向新合併的星系的中心下沉。如果它們在引力作用下相互束縛,並且它們的軌道開始收縮,那麼黑洞將與周圍的恆星相互作用並將其從星系中心彈出。這可以解釋Abell 2261的核心。這將解釋Abell2261的大核。恆星的離中心濃度也可能由一個劇烈事件引起,例如兩個超大質量黑洞的合併以及隨後單個、較大的黑洞的反衝。

即使有跡象表明發生了黑洞合併,錢德拉和哈勃的數據均未顯示黑洞本身的證據。由西維吉尼亞大學的莎拉·伯克-斯波拉爾(Sarah Burke-Spolaor)領導的古爾特金(Gultekin)及其大多數合著者以前曾利用哈勃望遠鏡尋找可能由反衝黑洞帶走的一團恆星。他們研究了靠近星系中心的三個團塊,並研究了這些團塊中的恆星運動是否足夠高,以至於它們暗示了一個百億太陽質量的黑洞。在兩個團塊中均未發現明顯的黑洞證據,另外一個團塊中的恆星也過於微弱,無法得出有用的結論。

他們之前還利用NSF的卡爾·詹斯基(Karl G. Jansky)超大型陣列研究了Abell 2261的觀測結果。在星系中心附近檢測到的無線電發射表明,已有5000萬年前在此發生了超大規模黑洞活動,但沒有表明星系中心目前包含這樣的黑洞。

然後,他們轉向錢德拉(Chandra)尋找已經過熱並在X射線落入黑洞時產生X射線的物質。儘管錢德拉(Chandra)的數據確實顯示出最稠密的熱氣體不在星系的中心,但它們並未揭示出正在增長的超大質量黑洞的任何可能的X射線特徵——在星團的中心未發現X射線源,或在任何星團中,或在無線電發射的地點。

作者得出的結論是,在這些位置中的任何一個都沒有黑洞,或者它拉動物質的速度太慢而無法產生可檢測的X射線信號。

因此,這個巨大的黑洞位置的奧秘還在繼續。儘管搜索沒有成功,但希望天文學家在未來尋找這個超大質量黑洞的希望仍然存在。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡一經發射,便能夠揭示出在銀河系中心或恆星團之一中存在一個超大質量黑洞。如果韋伯無法找到黑洞,那麼最好的解釋是黑洞已經完全退回到星系的中心。

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