作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2017/2/24 11:24:18
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首个中等质量黑洞现“形”填空缺

 

日前,科学家发现了隐藏在杜鹃47球状星团中心区域的中等质量黑洞,其质量大约是太阳的2200倍。此次发现弥补了黑洞家族多年来的空缺,也说明了在宇宙中可能还隐藏着大量未被发现的中等质量黑洞。

■本报记者 张文静

天文学界普遍认为,宇宙中的神秘天体——黑洞按质量大小可分为恒星级黑洞、超大质量黑洞以及中等质量黑洞三类。前两类黑洞的普遍存在已被天文学家利用观测到的证据所确认。但对于重量是太阳100倍~1万倍的中等质量黑洞,研究人员却始终没有发现其存在的确凿证据。最近,一项发表在《自然》杂志上的研究称,研究人员发现了隐藏在杜鹃47球状星团中心区域的中等质量黑洞,其质量大约是太阳的2200倍。这一发现使得黑洞演化途径的链条更加完整。

中等质量黑洞是否存在

在宇宙中,每个星系的中心几乎都存在一个超大质量黑洞,它们的质量是太阳的几十万到数百亿倍。距离我们最近的超大质量黑洞要数位于银河系中央的人马座A *,它的质量约为太阳的400万倍。与此同时,每个星系当中也存在着许多恒星级黑洞,它们的质量从太阳的几倍到数十倍。比如,最先被发现的黑洞候选体天鹅座X-1,就是一个恒星级黑洞,其质量估计为太阳质量的15倍。

超大质量黑洞和恒星级黑洞有着怎样的关系?“通常认为,超大质量黑洞是由质量更小的黑洞逐渐合并演化而成的。如果这个演化过程是个连续的过程,那么理论上,就应该存在演化中间的状态,也就是质量介于超大质量黑洞和恒星级黑洞的中等质量黑洞。”中国科学院国家天文台研究员苟利军告诉《中国科学报》记者。

多年来,天文学家一直在寻找中等质量黑洞的踪迹。

早在2012年就有报道称,天文学家利用位于澳大利亚的射电望远镜观测到了超级炽热气体的爆发,研究人员认为,该爆发是由一颗中等质量的黑洞发出的,这颗黑洞距离我们有3亿光年之遥,位于一个编号为ESO 243-49的星系中,被称为“超亮X-射线源-1(HLX-1)”。

2015年,又有天文学家宣布,对NGC 2276星系进行观测时发现了一个中等质量黑洞。NGC 2276星系距离我们大约1亿光年,是一个螺旋星系,其内部存在的黑洞被命名为NGC-2276-3c。

2016年1月,日本天文学家利用射电望远镜观测到,银河系中心位置可能存在一个质量相当于太阳10万倍的看不见的黑洞。

但这些对中等质量黑洞的发现后来没有被进一步证实。

“所以有段时间,大家就讨论恒星级黑洞和超大质量黑洞是否并不存在持续的演化过程,而是分别独立形成的。”苟利军说,“但是,此次对杜鹃47球状星团中心中等质量黑洞的发现,为恒星级黑洞逐渐演化为超大质量黑洞的观点提供了更多依据。”

研究人员独辟蹊径

杜鹃47球状星团是距离地球1.3万光年之遥的古老球状星团,已有120亿年的历史,它包含着数百万颗恒星,形成一个大约120光年直径的球状结构。数值模拟的计算结果表明星团的中心很可能会存在中等质量黑洞,作为银河系当中最大的几个星团之一,杜鹃座47的中心也很有可能如此。但此前,研究人员并未成功发现杜鹃47球状星团中心的黑洞,即使利用了最为强大的哈勃望远镜对其中心进行扫描也没有发现黑洞存在的踪迹。

探测黑洞并不容易,因为黑洞有很强大的引力,它们吸收物质,不允许任何光逃逸。

“因为黑洞自身不产生电磁波,所以黑洞是无法直接被探测到的。我们探测黑洞只能通过黑洞周围的一些辐射现象,比如距离黑洞较远的气体在靠近黑洞的过程当中相互摩擦,会产生比较强的辐射,然后我们就可以利用电磁探测方式来间接地探测到黑洞。”苟利军介绍说。

然而,杜鹃座47中缺乏气体物质,这为黑洞增加了一层“保护色”。“对于中心黑洞,没有观测到相应的电磁辐射,这就说明中心没有气体存在。没有气体存在的理由有可能是中心附近星风的作用,还有可能是中心脉冲星的强辐射将气体从中心区域清除了。”苟利军解释说。

另一种发现黑洞的方法是借助其对附近恒星的影响,这也是天文学家如何在银河系中心发现黑洞的方式。银河系中心超大质量黑洞就是通过对邻近恒星的影响显露出了它的存在性,天文学家经过多年的红外线观测,发现银河系中心一些恒星都是在围绕着一个巨大的无形对象运动,从而确定了黑洞的存在。但因为杜鹃座47是如此拥挤而且黑洞质量相对比较小,这种方法也不能对它起作用。

杜鹃座47的特殊情况使得研究人员不得不另辟蹊径,采取不同于以往的方法来确定黑洞的存在。“这次黑洞的确认证据是根据中心附近恒星和脉冲星的空间动力学分布特征,然后和数值模拟结果相比较得到的。”苟利军介绍说,首先,研究人员监测星团中心附近许多恒星的空间位置和速度分布,而不仅仅是观察一两个星体。研究人员注意到,通常大质量恒星会因为比较重的缘故,会更靠近中心。如果中心存在黑洞的话,在这些恒星靠近黑洞的过程当中,因为黑洞的“引力弹弓”效应,黑洞就像一把宇宙“勺子”,搅拌着恒星,导致恒星以更高的速度弹射到更远的距离。同时他们也监测了星团中一些脉冲星的分布,脉冲星是发出无线电信号的死亡恒星爆炸残留物。杜鹃座47的脉冲星也会有类似于恒星被高速抛出的现象。然后,研究人员使用计算机模拟恒星运行的距离,再将其与观测数据进行对比,最终发现了一些黑洞存在的证据。

借助这样的方法,天文学家最终确认,在杜鹃47球状星团内部存在相当于太阳质量2200倍的中等质量黑洞。由于这种黑洞长期逃避科学家的观测范围,因此科学家认为类似的中等质量黑洞也可能隐藏在其他球状星团之中。

黑洞演化链条日趋完整

“我们希望发现中等质量黑洞,是因为它们是恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的缺失环节,它们可能是原始种子,逐渐生长至类似银河系中心的超大质量黑洞。”对于该中等质量黑洞发现的意义,该项研究负责人、哈佛—史密森天体物学中心的布伦特·齐兹尔坦说。

“中等质量的黑洞可以说是连接恒星级黑洞和超大质量黑洞的桥梁,这次发现为超大质量黑洞的演化途径提供了确认。当然,这只是一个黑洞的发现,此后还需要对类似的不同质量的黑洞的更多观测,来说明黑洞演化是一个连续的过程,而不是各类黑洞分别演化。”苟利军说道。

黑洞的探测需要等待合适的时机,比如要在它产生比较明亮的电磁辐射时或者有较大喷流的时候才能探测到。因此,不管是刚刚被确认的中等质量黑洞,还是此前已经被证实探测到的恒星级黑洞和超大质量黑洞,其探测都是不容易的事情。“所以我们现在已经探测到的黑洞也只是茫茫宇宙中众多黑洞的冰山一角。仅在我们的银河系中,理论上就有上千万个恒星级黑洞,但直到现在真正得到确认的只有20多个,另外的绝大多数黑洞都因为没有电磁辐射而无法被探测到。”苟利军说。

这次中等质量黑洞的发现弥补了黑洞家族多年来的空缺,也说明了在宇宙中可能还隐藏着大量未被发现的中等质量黑洞。探索宇宙永无止境,天文学家们接下来还将对此展开更进一步的研究。

蒋志海制图

《中国科学报》 (2017-02-24 第4版 自然)
 
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