尋找中量級「怪物」 為解釋特大黑洞起源提供線索
在一個星系中央，一個巨大的黑洞驅動了一股電離氣體。圖片來源：Lynette Cook/SOFIA/NASA
巨大的黑洞是如何形成的？天文學家一直以來都掌握著這樣的證據：星系中心有的「嬰兒期」黑洞質量不超過數十個太陽，但其中也有相當於太陽質量數百萬或數十億倍的龐然大物。但相當於太陽質量數千或數萬倍的中等大小的黑洞似乎消失了。它們的消失讓理論學家提出，超大質量黑洞不是通過緩慢吞噬物質逐漸增長的，而是通過某種方式直接以現有的龐然大物的形式出現。
現在，天文學家似乎已定位到一些「消失的」中等質量黑洞。一個國際團隊搜索了星系光譜檔案，找到其核心擁有中等質量黑洞的300多個小星系。通過了解其他的數據集，他們證實，其中有10個候選星系的確有中等質量黑洞，這增加了他們的信心，即最初的名單「一定包括至少數十個真正的中等質量黑洞」，該團隊負責人、美國馬薩諸塞州劍橋市史密森尼天體物理觀測站的Igor Chilingarian說。
智利聖地亞哥天主教大學研究者、並未參加此項研究的Ezequiel Treister讚揚了該團隊的工作。「黑洞測量非常困難，我們嘗試做這些已經很多年。」得克薩斯大學奧斯汀分校的Volker Bromm說，該團隊的技術「非常新穎」，並稱他們的工作「認真負責」。研究人員說，這些發現或可揭開超大質量黑洞形成之謎。
實際上，任何大小規模的黑洞都很難被發現，因為它們自己不會發光。它們會通過吸入附近的氣體和塵埃暴露自己，在此過程中，氣體和塵埃會被劇烈加熱，從而釋放出X射線。許多星系中心散發的X射線會揭示超大質量黑洞的存在，即所謂的活動星系核（AGN）。但中等質量黑洞散發的X射線信號會很微弱，現有的X射線衛星都是針對遠距離天體進行詳細觀測，而不是對多個星系進行廣泛的調查。例如，美國宇航局（NASA）的錢德拉X射線天文台的檔案僅覆蓋了2.5%的天空。
因此，Chilingarian的團隊在斯隆數字天空調查（SDSS）中收集的93萬個星系光譜中尋找一種替代性的可見光信號。星系核球中氫氣AGN電離雲產生的X射線會在星系周圍膨脹，使它們在特定的頻率下發光，在星系光譜中產生不同的峰值。距離黑洞最近的電離雲高速環繞黑洞旋轉，它通過多普勒效應改變頻率並抹去每個光譜峰值。更遠的氣體雲則移動得更慢，因此峰值仍然尖銳。為了識別擁有小AGN的星系，該研究團隊尋找了特殊的光譜峰，這些光譜峰在頂部很尖銳，但底部被抹掉了。
科學家搜索SDSS目錄得到了305個候選者。由於其他短暫的現象也可能模仿關鍵信號，該團隊還核對了在不同時間收集的其他觀測結果，以確保候選星系顯示出相同的模糊峰值。他們還用智利的巨型麥哲倫望遠鏡觀測了一些星系。但AGN的關鍵之處是「泄密」的X射線信號，為此該團隊搜索了NASA的錢德拉和斯威夫特衛星以及歐洲的X射線多鏡任務的存檔觀測資料，從而了解自己是否碰巧觀測到了其中的一些候選者。該團隊在近日發表於預印本伺服器arXiv並提交給《天體物理學雜誌》的一篇論文中報告說，最終的結果是包括10個中等質量黑洞的簡短名單。
即使是這樣小的數目也挑戰了近來關於超大質量黑洞如何形成的思考。理論學家需要一種漸進增長的簡單替代方案，這不僅因為此前中等質量黑洞「消失了」，還緣於天文學家已發現巨大的類星體——非常明亮的AGN，它們在宇宙還不到10億年時就在發光。哈佛大學理論學家Avi Loeb問道：「巨大的黑洞怎麼會在那麼早的時候長得如此大？」
Loeb等人提出，在早期宇宙中，巨大的氣體雲直接坍縮成巨大的黑洞，其質量相當於太陽的10萬到100萬倍，形成了早期類星體的種子。這種情況或可解釋大黑洞形成速度和缺乏中等質量黑洞的原因。
然而，新的結果表明，至少有一些超大質量黑洞是由更小的種子產生的。這10個被確認的中等質量黑洞符合一種逐漸增長的模式：它們的質量與圍繞其星系核球的大小相關，表明每個黑洞都在與宿主同步增長。Treister說，顯而易見的結論是「並非只有一種情況，而是兩種情況都會發生。現在的問題是哪種情況更常見」。
Bromm說，直接坍縮可能僅在非常早期的宇宙中才會發生，因為那時恆星和星系的構建材料不同。大爆炸產生的只有氫和少量氦。更重的元素在數百萬年後加入該混合物，早期恆星形成這些元素並在其死後將其驅散。一旦較重的元素存在，它們幫助原始氣體冷卻，因為它們在高溫下電離，導致氣體發光並散發熱量。更冷的氣體雲更有可能分裂成許多恆星，即小黑洞的種子。Bromm表示，與此形成對比的是，在暗物質的微弱引力作用下，熱氣體雲可能會坍縮成一個巨大的天體。他承認，這種現象非常罕見，在某種程度上是「宇宙奇蹟」。
找出哪種情況佔主導地位的唯一方法是找到更多的中等質量黑洞。Chilingarian說，當前的障礙是缺乏X光觀測。德國製造的一架名為eROSITA的X射線望遠鏡預計將於今年年底或明年年初依託俄羅斯Spektr-RG天文台發射。「它將會產生非常好的數據集。」Chilingarian說。他打賭該望遠鏡將能確定另外數百個中等質量黑洞，從而為黑洞的起源提供更多線索。（晉楠編譯）
TAG:光明網 |