发现“卡冈图雅”——被逐出星系中心的超大黑洞

By admin in 科技中心 on 2019年5月3日

图片 1《星际穿越》里的大黑洞“卡冈图雅”周围,为什么看不到太多明亮的星星?天文学家最新的一项发现,或许可以解释其中的原因。图片来源:华纳兄弟

上海天文台余文飞领导的科研团组分析了X射线卫星Swift对HLX-1从2009年至2015年的六个爆发的监测数据。“我们的研究定量地证实了HLX-1的一些爆发的性质(比如上升时标,下降时标,持续时标,释放的总能量等)随着时间有演化趋势,而且我们发现随着时间的推移,HLX-1在爆发期间的时间越来越短,在休眠期间的时间越来越长,这个发现有助于揭示它的爆发的起源。”

图片 2距离我们最近的大星系——仙女座大星系的中心,就有一个质量相当于1亿倍太阳的超大黑洞,与《星际穿越》里“卡冈图雅”的设定十分相似。图片来源:wikipedia.org

前人工作通过计算发现如果HLX-1包含了一颗中等质量黑洞,它的粘滞时标大约为百年量级,而观测到的爆发只有百天量级,这一矛盾使人们推论其X射线爆发并不能简单地由吸积盘模型的不稳定性解释。其他工作又提出了一种解释,认为一颗恒星沿着非常椭圆的轨道围绕黑洞旋转,当它靠近黑洞时,物质就被黑洞吸积,从而引起了爆发。随着爆发的增多,大家发现它们的间隔并不是周期性的,所以这个模型也被否定了。HLX-1的爆发的原因依然是个未解之谜。

无独有偶,在11月21日出版的《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the
Royal Astronomical
Society)上,一个国际天文学家团队公布了一项新发现,或许可以为《星际穿越》里孤独的“卡冈图雅”提供一个合理解释。

图片 3

听起来是不是很像《星际穿越》里的“卡冈图雅”,一个远离星系中心、孤独游荡在黑暗之中的超大质量黑洞?就这个问题,果壳网“科学人”专门采访了这项研究的第一作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的天文学家迈克尔·科斯(Michael
Koss)。

星系ESO 243-49的哈勃图像,小圆圈标记了HLX-1的位置。Image Credit: NASA,
ESA and S. Farrell (University of Sydney and University of Leicester)

他们分析了多个天文台站长达数十年的观测数据,在距离地球大约9000万光年的一个矮星系中,发现了一个不同寻常的光点。那个矮星系名为马卡良117,位于北斗七星的斗勺之中。那个光点则被称为SDSS
1133,特征与超大质量黑洞相符。尽管超大质量黑洞通常存在于星系中心,但SDSS
1133距离这个矮星系的核心至少有2600光年。

对HLX-1在X射线波段的监测表明其有类周期性的X射线爆发,大约一年左右会爆发一次,其中会经历大约十天左右的爆发上升时期和200天左右的爆发下降时期,随后进入了休眠状态。这种爆发性质吸引了众多天文学家的研究兴趣。因为它的爆发与已知的大多数银河系内恒星级黑洞X射线双星系统十分相似,而它们的爆发一般认为来自于吸积盘的不稳定性,其爆发的时标由粘滞时标决定。

正在热映的影片《星际穿越》里,“卡冈图雅”可以说是当仁不让的主宰,不仅扭曲时空为复杂的故事提供了上演的舞台,还首次将超大质量黑洞逼真地展现在大银幕上,并由此引发了一场全民科(tǔ)普(cáo)热潮。比如一些死理性派就吐槽说——超大质量黑洞不是应该位于星系中心,被无数明亮的恒星包围吗?为什么电影里“卡冈图雅”周围看不到多少恒星?如果没有被恒星包围,它周围吸积盘里的物质又是从哪里来的?

前人的工作还发现在HLX-1的能谱态跃迁期间,也伴随着间歇性喷流。这些相似性表明HLX-1可能是一个放大版的黑洞X射线双星系统,只不过它的黑洞不是恒星级的,而是几千倍太阳质量。但是定量比较显示它的爆发期间的各种特征时标也和银河系内恒星级黑洞X射线双星相似,而这些时标是和吸积盘的大小相关的,通常吸积盘的大小又和黑洞质量是相关的。这就造成了一个难以解释的矛盾,一方面爆发的各种时标表明HLX-1吸积盘的尺度应该与恒星级黑洞在一个量级,而另一方面,其超高的X射线光度又表明其吸积率和黑洞质量都高于银河系内恒星级黑洞约三个量级。这一矛盾更突出了HLX-1作为中等质量黑洞候选者的特殊性质。

研究团队猜测,这可能是两个星系及其中心黑洞并合的后果。两个星系的碰撞与并合,会瓦解它们原本的形状,产生新一轮恒星形成热潮。如果每个星系的中心都有一个超大质量黑洞,在两个星系合二为一之后,它们就会在新的星系中心构成一对“双星”,最终也会合并在一起。

论文链接

这样的弹射有可能足够强劲,直接把黑洞扔出它所在的星系,从此永无止境地在星系际空间流浪下去。更常见的情况是,黑洞被弹射到一个长椭圆轨道上。尽管位置发生了变化,被弹射出去的黑洞仍会保留它周围的炽热气体,继续发光发亮,直到这些气体全部被它耗尽为止。

观测上,黑洞有两个极端的质量,一类是由大质量的恒星死亡坍缩后形成,称为恒星级黑洞,质量在几倍至几十倍太阳质量;另一类是位于星系中央的超大质量黑洞,其质量可达数百万至数十亿倍太阳质量。而处于这两个极端质量之间的黑洞,即所谓的中等质量黑洞在大约一百至十万倍太阳质量之间。这类黑洞是否存在,仍未有定论,而它的存在与否对于超大质量黑洞是如何形成的具有重大的意义。天文学家们已经寻找了几十年,也有很多天体被认为是中等质量黑洞的候选体,但是迄今仍然没有充分的证据来证明。超亮X射线源就是一类这样的候选体,而光度最高的超亮X射线源ESO
243-49
HLX-1则是这类候选天体中最有可能的一个。近日,中国科学院上海天文台研究员余文飞领导的科研团队对这个源的身份之谜展开了进一步的研究,分析了X射线卫星Swift对HLX-1从2009年至2015年的六个爆发的监测数据,通过与银河系内恒星级黑洞X射线双星比较,阐述了其作为中等质量黑洞的可能性大小。“这个谜底还未解开,但我们已经在路上”。该工作发表在天文国际核心期刊《天体物理杂志》(Astrophysics
Journal
)。

按照爱因斯坦的引力理论,黑洞在并合过程中会以引力辐射的形式释放大量能量。不断加速的质量会向四面八方辐射出引力波,也就是时空结构中的涟漪。如果两个黑洞质量相同,自转也相同,它们的并合产生的引力波在各种方向上就会是均匀的。但更可能出现的状况是,它们的质量和自转都不一样,这就会产生不平衡的强力波辐射,将黑洞朝相反方向弹射出去。

基于之前对银河系内恒星级黑洞X射线双星的系统研究结果,他们将其与HLX-1的爆发性质进行了定量的比较。“我们进一步证实了HLX-1的爆发轮廓,时标以及爆发期间X射线能谱演化等性质与已知的大多数银河系内恒星级黑洞X射线双星系统十分相似;在每个爆发期间,HLX-1也经历了和恒星级黑洞X射线双星相似的X射线能谱演化。”文章的第一作者、上海天文台副研究员闫震说,“我们又发现其态跃迁发生的光度、爆发上升时光度变化率与爆发峰值光度之间都符合我们在银河系内恒星级黑洞X射线双星系统中发现的近似线性的关系。”

如果把SDSS
1133解释成一颗高光度蓝变星,这颗恒星至少必须从1950年开始就几乎持续不断地爆发,直到2001年亮度达到顶峰,并发生超新星爆炸。1950年之前的望远镜,不论是空间分辨率还是灵敏度,都不足以检测到这个天体。但如果真是高光度蓝变星的持续爆发,现有观测记录就足以使得它成为最长久和最持续的高光度蓝变星。

HLX-1是2009年由当时图卢兹大学的Sean
Farrell领导的研究团队从欧洲空间局的XMM-Newton
X射线望远镜的数据中发现的。HLX-1是目前已知的光度最高的超亮X射线源。这么高的X射线光度(~1
x 1042erg s−1, 0.2-10.0
keV)很难是由恒星级质量黑洞产生的,而它又位于星系ESO
243-49的边缘,肯定不是星系中心的超大质量黑洞,使得HLX-1成为了中等质量黑洞最强有力的候选者。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图
Copyright @ 2010-2019 澳门金沙30064在线网站 版权所有