未来研究将扩大中等质量黑洞的普查

目前对中等质量黑洞的普查在许多方面是不完整的。额外的研究将推动天体物理学家对中等质量黑洞的理解,并在新的方向上寻找它们

编者注:在她的文章《金发姑娘黑洞》中,珍妮·E·格林讨论了质量范围从大约 1,000 个太阳到 100 万个太阳的黑洞——宇宙尺度上的中等质量黑洞。这些中等质量的黑洞可能为星系的起源和在星系中心发现的超大质量黑洞(质量为数百万到数十亿个太阳)提供线索。天文学家现在已经发现了数百个中等质量的黑洞,特别是通过分析斯隆数字巡天的数据,该巡天已经记录了十多年来天空大面积星系的光。然而,在许多方面,对中等质量黑洞的普查是不完整的。下面,格林讨论了额外的研究,这些研究将在未来填补空白,并可能推动天体物理学家对中等质量黑洞的理解走向新的方向。

对中等质量黑洞的搜索仍处于起步阶段,我们对这些物体的理解可能会随着更大、更完整的星系样本而改变。例如,

斯隆巡天 (http://www.sdss.org/) 对于在天空中的主要星系样本中进行中等质量黑洞的普查是无价的。然而,它仅限于足够明亮以便其专用望远镜进行合适观测的星系。卫斯理大学的爱德华·C·莫兰和他的合作者正在通过检查北天 2 亿光年内的所有星系,并降低到非常微弱的极限来扩大普查范围。他们正在获取每个星系的光谱,并分析其是否存在活动黑洞的迹象。他们已经在小型星系中发现了近 20 个新的中等质量黑洞候选者。


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中等质量黑洞也可能在罕见事件中显露出来,例如当一个黑洞撕裂并吞噬一颗靠得太近的恒星时。每周几次观察同一天空区域的光学巡天可能会发现这些灾难产生的特征性耀斑。这样的耀斑会持续几个月,并且通常在紫外光中最亮,但是小型黑洞可能会产生在可见光中最亮的耀斑。3 月,轨道伽马射线望远镜 雨燕

探测到一次爆发,这很可能来自遥远星系中的一颗恒星被质量不超过约 1000 万个太阳的黑洞撕裂。

改进中等质量黑洞的普查需要良好的质量测量。测量黑洞质量(事实上,确认黑洞是否存在)最可靠的方法是检测附近恒星和气体运动中黑洞引力的迹象。不幸的是,对于中等质量黑洞,这些效应太小,天文学家只能在最近的星系中检测到。去年,现在在犹他州盐湖城的犹他大学的阿尼尔·C·塞思和他的同事绘制了附近星系 NGC 404 中恒星的运动,并得出结论,它在其核心包含一个几十万太阳质量的黑洞。NGC 404 距离我们仅 1000 万光年,是同类型星系中最接近的(一种具有非常小凸起的星系,因此是中等质量黑洞的主要候选者)。

下一代地面光学望远镜将于本世纪末开始运行,将使数百个星系进入此类研究的范围。这些望远镜(

巨型麦哲伦望远镜三十米望远镜)将宽 20 到 30 米,是当今最大望远镜的两倍以上,使它们能够探测到远至 5000 万光年远的室女座星系团中的中等质量黑洞。

更多的中等质量黑洞也可能以意想不到的方式出现。现在在弗吉尼亚州夏洛茨维尔的国家射电天文台的艾米·雷恩斯在 2010 年查看无线电波和红外图像,以研究小型星系中恒星种群爆炸中恒星的形成方式。有一天,她在其中一个星系的中心发现了有趣的东西,远离新形成的恒星群。与旧的 X 射线图像进行比较后发现,她的物体很可能是一个黑洞,质量约为 10 万到 1000 万个太阳。即使这个黑洞最终比真正的中等质量黑洞大,它独特的定位——在恒星新形成的小星系中——与宇宙的第一个黑洞可能遇到的条件非常相似。正在进行后续观测以确认该物体实际上是一个黑洞并了解更多信息。与此同时,雷恩斯正在寻找类似星系中的更多例子。未来使用具有更高灵敏度的新型射电望远镜进行的搜索,与 X 射线数据结合,也可能会发现以前被忽视的附近星系核心中的黑洞。

 

编者注:在她的文章《金发姑娘黑洞》中,珍妮·E·格林讨论了质量范围从大约 1,000 个太阳到 100 万个太阳的黑洞——宇宙尺度上的中等质量黑洞。格林的文章侧重于在星系中心寻找中等质量黑洞。在这里,她讨论了在其他地方寻找中等质量黑洞的可能性。

超大质量黑洞,质量相当于数百万或数十亿个太阳,发现在星系的中心。这也是大多数研究人员寻找中等质量黑洞的地方——质量小于约 100 万个太阳的黑洞,因为它们的原始种子黑洞,无论出于何种原因,都没有成长为超大质量。然而,星系核可能是寻找这些中等质量黑洞的错误地方。

例如,如果原始种子黑洞形成于密集星团的中心(正如我在2012 年 1 月专题中讨论的那样),也许天文学家应该在那里寻找失败的超大质量黑洞。事实上,天文学家已经报告在两个巨大的星团中探测到了中等质量黑洞的引力效应,

一个在被称为人马座欧米茄的星团中,位于我们自己的银河系中,另一个在我们的邻居仙女座星系中。然而,到目前为止,这些观测结果仍存在争议。

即使所有的种子黑洞都形成于原星系的中心,它们中的许多可能不再存在于星系核中。当一个小星系落入一个更大的星系时,小星系中心的黑洞可能最终会在大星系的外部区域轨道上运行。当黑洞合并时,黑洞也可能从它们的星系中心被弹出。当三个(或更多)黑洞靠近时,可能会发生这种弹出,其中一个被甩出,留下另外两个合并。或者,一个简单的双黑洞合并可能会发出定向的引力波脉冲,导致合并后的黑洞从星系中心反冲出去。

天文学家已经在远离星系核的地方发现了发出惊人数量 X 射线的物体,这可能是中等质量黑洞。如果这些超亮 X 射线源向所有方向均匀辐射,那么它们的 X 射线太多,不可能来自一个普通的恒星质量黑洞。这一事实,加上 X 射线的其他特性,导致一些天文学家提出,质量为 1,000 到 10,000 个太阳的黑洞正在为这些源提供动力。

现在,像钱德拉这样的轨道 X 射线望远镜已经飞行了十多年,天文学家拥有了一个庞大的 X 射线源数据库可供考虑。在一项调查中,研究人员正在对不在星系核中的 X 射线源进行后续光学和(最终)射电观测,以确定这些源的性质。另一项在德克萨斯大学奥斯汀分校开始的调查,专门寻找大型椭圆星系外围吸积黑洞的迹象。这项调查将使用具有非常大视野的仪器,以便单次观测可以寻找超出这些星系边缘的有趣黑洞候选者,并达到非常敏感的极限。这些调查将大大加强天文学家对失败的超大质量黑洞的普查。      

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