近鄰棒旋星系NGC 3319中心發現中等質量黑洞候選體

中國科學技術大學天文學系王挺貴小組在近鄰宇宙的無核球棒旋星系NGC 3319中心發現中等質量黑洞候選體，為超大質量黑洞的種子的形成機制提供了重要線索。相關成果於近日發表在《天體物理期刊》上。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一類獨特的時空結構，在中心存在奇點，它存在一個視界面，進入面內的所有物質包括光都無法逃脫最終落到奇點。目前已知的黑洞可以分為兩大類：第一類質量在幾倍到幾十倍太陽質量之間，稱作恆星級黑洞；另一類質量在幾百萬到幾十億太陽質量之間，稱作超大質量黑洞，位於星系的中心。恆星級黑洞首先由理論預言其存在，是大質量恆星死亡留下的產物，它通過吸積伴星的物質產生明亮的X射線輻射而被觀測到。超大質量黑洞的物理起源並不明確，它最初是為了解釋類星體巨大的能量輸出而被理論家提出，隨後被近鄰星系的恆星動力學測量等觀測證實。不僅如此，人們還發現超大質量黑洞和寄主星系核球的性質緊密相關，強烈暗示著兩者可能是共同演化的。於是，一個自然而然的問題就被提出，是否存在質量介於兩類黑洞之間的中等質量黑洞，即質量位於幾百到幾十萬倍太陽質量的黑洞？這類黑洞可能作為超大質量黑洞的種子，對於人們理解超大質量黑洞的形成與增長有非常重要的意義。

然而，發現中等質量黑洞一直是一個難題，這是因為它們距離比恆星級黑洞更遠，但質量又比超大質量黑洞小，其產生的觀測效應很弱，導致迄今可靠的候選體依然很有限。王挺貴小組採取了多波段交叉認證的方法在近鄰宇宙成功發現一例極佳的候選體。該工作通過美國NASA的Chandra和歐空局的XMM-Newton兩個目前最靈敏的X射線衛星在棒旋星系NGC 3319中心發現一個X射線點源，雖然其光度看起來更接近一般的超亮X射線源（ULX），但它的位置與哈勃太空望遠鏡的紫外和光學圖像揭示的星系中心位置一致。綜合分析其X-ray、紫外、光學的能譜分布，發現它與高吸積率的活動星系核高度一致，與ULX有顯著差別。假設其愛丁頓吸積率為0.1，黑洞質量只有大約3千太陽質量，這可能是目前發現的星系中心最小的中等質量黑洞。用其他方法（如基本面關係、X射線光變等）估計的黑洞質量也小於10萬倍太陽質量。

該研究表明，結合當今最高空間解析度的X射線和紫外觀測對於發現中等質量黑洞很有效。王挺貴小組發現的目標是目前距離我們最近的幾個候選體之一，有利於後續研究，如通過動力學測量得到更加準確的黑洞質量。NGC 3319是一個無核球的棒旋星系，有模擬研究表明，星系棒能有效地驅使氣體內流，形成種子黑洞，該工作發現的中等質量黑洞候選體很可能就代表了這類種子黑洞的獨特形成模式，對全面理解超大質量黑洞的形成之謎有重要啟示。

論文第一作者是中國科大物理學院天文學系特任副研究員蔣凝，王挺貴和中國極地研究中心教授周宏岩為共同通訊作者，其他主要合作者還包括安徽師範大學教授舒新文、中國極地研究中心博士楊臣威等。論文放到預印本網站上後，被科普網站世界科技研究新聞諮詢網（phsy.org）於11月5日專題報道，引起廣泛關注。

該項研究得到國家自然科學基金、中科院以及中國科大青年創新基金的資助。

論文鏈接：Jiang, N., Wang, T.-G., Zhou, H.-Y., et al. 2018,Discovery of An Active Intermediate-Mass Black Hole Candidate in the Barred Bulgeless Galaxy NGC 3319,The Astrophysical Journal, 869, 49.

圖左：星系NGC3319的光學圖像（來自美國斯隆數字巡天）；右：星系中心區域的放大圖（哈勃太空望遠鏡的紫外圖像），青色X標註的是Chandra X射線衛星探測的位置，X射線圖像展示在左下角。

來源：中國科學技術大學

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