20200331哈伯太空望遠鏡發現難以捉摸中型黑洞的最佳證據

2020/04/01 178 天文探索 , 黑洞 , 太空望遠鏡 , ,

NASA/ESA 哈伯太空望遠鏡的新數據為宇宙中的中型黑洞提供了目前為止最有力的證據。哈伯證實這個「中等質量」黑洞位在一個緻密的恆星團內。


▲ 這幅藝術家的作品描繪的是一顆恆星被中等質量黑洞(IMBH)撕碎,黑洞周圍是吸積盤(Accretion Disk)。這薄薄的旋轉圓盤由恆星的殘餘物組成,它被黑洞的潮汐力撕碎。(影像來源:ESA/Hubble, M. Kornmesser

中等質量黑洞(IMBH)是黑洞演化過程中長期以來一直在尋找的「缺失環節」。目前為止已經發現了一些其他的中型黑洞候選者。它們比位於大型星系核心的超大質量黑洞要小,但比大質量恆星坍塌形成的恆星質量黑洞要大。這個新黑洞的質量是我們太陽的 5 萬倍以上。

中等質量黑洞很難找到。 新罕布夏大學的首席研究者 Dacheng Lin 說:「中間質量黑洞是非常難以捉摸的天體,所以仔細考慮並排除每個候選者的替代解釋至關重要。這也是我們用哈伯對候選天體進行研究的原因」。

Lin 和他的團隊使用哈伯來追蹤 NASA 錢卓拉X射線天文台和 ESA X射線多鏡任務(XMM)的線索,該任務攜帶三個高通量X射線望遠鏡和一個光學監視器,進行長時間不間斷的曝光,提供高靈敏度的觀測。

法國圖盧茲大學的團隊成員 Natalie Webb 說:「加入進一步的X射線觀測使我們能夠了解總能量的輸出」。 「這有助於我們了解被黑洞破壞的恆星類型」。

2006 年這些高能衛星探測到了強烈的X射線耀斑,但尚不清楚它們是來自銀河系內部還是外部。研究人員將其歸因於一顆恆星在太接近一個引力強大的緊密型天體(如黑洞)後被撕裂。

令人驚訝的是這個名為 3XMM J215022.4-055108 的X射線源並沒有位於星系的中心,而大質量黑洞通常就在那裡。這讓人們認為就是中型黑洞,但首先必須排除另一個可能的X射線耀斑的來源:我們銀河系中的中子星在被加熱到很高的溫度後冷卻下來。中子星是爆炸後恆星的殘餘物,其極度密集。


▲ 星團中的黑洞(藝術家的印象作品),哈伯在意想不到的地方發現了黑洞。(影像來源:NASA/ESA and G. Bacon (STScI)

哈伯太空望遠鏡對準了X射線源,以確定其精確位置。深度、高解析度成像證實X射線並非來自於我們星系中的一個孤立源頭,而是在另一個星系外圍的一個遙遠而密集的恆星團中,這正是天文學家們期望找到中型黑洞證據的地方。哈伯之前的研究表示星系的質量越大,其黑洞的質量就越大。因此這個新結果表示 3XMM J215022.4-055108 所在的恆星團可能是一個低質量矮星系的剝離核心,該星系與目前較大的星系宿主之間的緊密相互作用在引力和潮汐上被破壞了!

中型黑洞特別難找,因為它們比超大質量黑洞更小、更不活躍,它們沒有現成的燃料來源,也沒有足夠強大的引力,無法不斷吸納恆星和其他宇宙物質並產生明顯的X射線,因此天文學家們不得不在相對罕見「吞噬恆星」的行為中捕捉它。 Lin 和他的同事們整理了 ESA X射線多鏡任務(XMM)的數據檔案,搜尋了幾十萬個源頭,試圖找到這顆中型黑洞候選天體的有力證據。一旦發現被粉碎的恆星所發出的X射線就可以讓天文學家們估算出黑洞的質量。

黑洞是人類所知的最極端的環境之一,因此黑洞是物理學定律和科學家對宇宙工作原理理解的試驗場。超大質量黑洞會從中型黑洞中生長出來嗎? 中型黑洞本身是如何形成的?密集的恆星團是它們最喜歡的家園嗎?在對一個個謎團有了自信的結論後,Lin 和其他黑洞天文學家發現他們還有許多精彩的問題需要被追問。


▲ 這張影像由 NASA/ESA 哈伯太空望遠鏡的先進巡天照相機(Advanced Camera for Surveys,ACS)拍攝,原始大小為 1327 x 1327 px。圖中圈起的黑洞 3XMM J215022.4−055108 位於水瓶座(Aquarius)中。


▲ 黑洞 3XMM J215022.4−055108 所在位置特寫照之可縮放高畫質影像(另開新分頁)


▲ J2150−0551 周圍區域的地面俯瞰圖,原始大小為 7279 x 5257 px,根據數位巡天2(Digitized Sky Survey 2)的一部分影像製作的。其中探測到一個名為 3XMM J215022.4-055108 的中質量黑洞。


▲ J2150−0551 周圍區域的地面俯瞰圖之可縮放高畫質影像(另開新分頁)

✎ 參考資料 · References

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