在小型星系寻找大质量黑洞

原创：牧夫天文

翻译：陆寅枫

校对：郭皓存

编排：胡暖暖

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

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

在搜寻大质量黑洞的过程中，天文学家在一些小型星系中发现了它们的身影。这些星系是迄今发现的含黑洞星系中最小的。

这张艺术想象图描绘了这样一幅光景：一个大质量黑洞出现在一个扭曲的矮星系外侧，这颗黑洞正在从周围吸收物质以形成一个旋转的吸积盘，并且向外喷射着物质流。Credit: Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF

在几个遥远的矮星系中，天文学家新发现了13个大质量黑洞，并且其中超过一半的黑洞都不在这些星系的中心。

大型黑洞通常位于宿主星系的核心。事实上，几乎每一个大型星系在其中心都有着一颗超大质量黑洞。但是，当星系之间相互作用或是黑洞融合时，这些黑洞有可能会被踢出核心区域，从而开始在星系外侧游荡和掠夺物质。

在像我们银河系这般大小的星系中可能存在着许多这样的“偷渡者”。较小的矮星系尤其容易受到引力扰动的影响，所以在这些星系中黑洞也更容易从中心被挪出。最近的一项研究通过计算机模拟指出，一个矮星系中有大约一半的大型黑洞都在远离星系核的区域流浪着。

在过去几年中，蒙大拿州立大学的艾米·蕾妮斯（Amy

Reines）和她的同事们一直在小型星系中搜寻着大质量黑洞的身影（这些大质量黑洞体型比超大质量黑洞小，但是形成机制应该是一样的）。通过这项研究，蕾妮斯的团队试图弄清楚一个大质量黑洞的体型可以有多小，并且这些小型大质量黑洞占多大的比例。这些信息或许可以让天文学家理解最早的一批大型黑洞是怎么形成的。

一个棘手的问题是，这些小型大质量黑洞并不是那么好找。在可见光和红外线波段，它们经常被恒星形成或是尘埃等隐藏。蕾妮斯的团队目前已经发现了151个有着活动星系核（Active
Galactic Nuclei,
AGN）的矮星系。在这些活动星系核，黑洞正在吞噬着炽热的气体。但是这种观测只能找到那些最亮的黑洞——那些最贪婪的吞噬者。

天文学家在13个矮星系发现的大质量黑洞（红色十字标注的位置）。上图都是在可见光和红外线波段拍摄的。可以看见有些黑洞距离星系中心非常遥远。Credit: A. E. Reines et al.

蕾妮斯的团队现在已经改变方向，转而在无线电波段进行观测了。活动星系核发出的无线电波可以很容易地穿透厚厚的尘埃，而位于新墨西哥州的甚大天线阵（Very
Large Array,
VLA）提供了这些无线电波的精确位置源。从更大的样本空间中进行选择后，天文学家挑出了111个矮星系，这些矮星系在无线电数据和光学数据中都有被记录。其中质量最大的接近大麦哲伦星系——银河系周围质量最大的矮星系。这些矮星系平均距离我们2.3亿光年之遥。

在这111个矮星系中，35个含有紧实的无线电波发射区。而在这35个矮星系中，13个矮星系的无线电源实在是太亮了，不可能是恒星形成或是超新星所致的。我们几乎可以肯定这些无线电源都是活动星系核。

蕾妮斯在1月7日于檀香山举办的冬季美国天文学会会议上介绍了这项研究，而研究成果发表在了1月1日的天文物理期刊上。

蕾妮斯的团队并不知道这些黑洞的质量。但是，如果他们假设这些大质量黑洞的质量与其宿主星系的总质量间存在的关系与超大质量黑洞一致的话，便可以推出这些黑洞的质量在1.3万倍至63万倍太阳质量之间，平均质量约为40万倍太阳质量。他们果断地将这些黑洞归为天文学家迄今发现的质量最小的大型黑洞。

这些新发现的黑洞绝大多数都远离其宿主星系中心。部分星系呈拉长或扭曲状，有可能是由过去与其它星系的相互作用导致的。有趣的是，在可见光波段发现的活动星系核都正常地出现在矮星系的中心，这或许意味着无线电波段的观测可以让天文学家接触到他们不曾能探测到的一类黑洞。

最早的大型黑洞是如何形成的？

蕾妮斯称，目前天文学家已经在众多矮星系中发现了大约一两百个大型黑洞的候选天体。在前文所述的美国天文学会会议上，除了蕾妮斯的团队所介绍的成果外，来自史密松天体物理台的伊戈·奇林格里安（Igor

Chilingarian）介绍了另外一部分成果。他的团队通过最新的和已存档的X射线波段观测数据发现了14个大质量黑洞的踪迹。如果假设这些被观测天体确为黑洞，格林奇里安估计它们的质量大约在3万至20万倍太阳质量之间。

NGC 4395是所有含超大质量黑洞的矮星系中最典型的之一。位于其中心的黑洞质量高达300000倍太阳质量。Credit: D. W. Hogg/M. R. Blanton/SDSS/NRAO/AUI/NSF

产生大质量黑洞的可能方法不止一个。第一代恒星很有可能体型巨大，当它们死去的时候可以形成约100倍太阳质量的黑洞，然后这些黑洞可以通过吸入周围的气体或是合并等方式增加质量。不过，这是需要相当长的时间的。另外还有一种方法，如果早期宇宙中的各项条件正好符合要求的话（这是一种非常微妙的平衡），气体云可以直接塌缩成约1万至10万倍太阳质量的黑洞。

如果由恒星死亡而形成的黑洞占大多数的话，我们应该能在矮星系中看到许多小型大质量黑洞。反之，如果气体云直接塌缩是主流的形成原因的话，小型大质量黑洞应该非常少见。

正是为了解决前面这个问题，像蕾妮斯和奇林格里安这样的天文学家投入到了他们的研究中。不过，我们很有可能并不能在近期得到足够的观测数据来给出一个确定的答案。奇林格里安说：“目前的观测技术还不足以发现大量的1万倍太阳质量左右的黑洞，所以我们也没办法较好地评判这两种形成原因。”同时，蕾妮斯的一位同事，普林斯顿大学的詹妮·格林（Jenny

Greene）指出，在黑洞的生长过程中有太多的不确定因素所以断定它们的形成原因是非常困难的。但是，计数那些偏离中心的黑洞可能是至关重要的，因为它们基本上一直处在不那么活跃的状态。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

ESA的太阳系探索舰队

原图链接：https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/02/ESA_s_fleet_of_Solar_System_explorers