流浪黑洞

本文来自微信公众号:原理(principia1687),作者:Zwicky,Photo by Greg Rakozy on Unsplash

通常情况下,在大型星系的中心都包含着一个超大质量黑洞——质量为太阳质量的数百万倍,甚至是数十亿倍。比如下图所显示的是银河系中心的黑洞SgrA*,质量约为太阳的400万倍。每当有物质被黑洞吞噬时,它就会释放出明亮的、可被探测到的X射线。

X射线: NASA/UMASS/D.WANG ET AL.,红外: NASA/STSCI

另一个大家所熟悉的超大质量黑洞是位于M87中心的黑洞Powehi。所有人都记住了那个酷似”甜甜圈“模样的它,但在不同的波段下,天文学家可以看到它的很多面。下图上方显示的是由哈勃太空望远镜拍摄的M87的光学图像,左下方是来自NRAO的射电图像,右下方是来自钱德拉望远镜的X射线图像。可以看出,黑洞周围是非常活跃的,不同的物理过程会释放出不同的辐射。

光学:HST/NASA/WIKISKY;射电:NRAO/VLA;X射线:NASA/CHANDRA

除了这些大型星系之外,宇宙中还存在着大量的矮星系。这些矮星系的质量不到银河系的百分之一,它们也包含着大质量黑洞——其平均质量约为太阳的40万倍。

正在形成恒星的矮星系UGC 5340,这可能是由它与另一个星系(图中没有显示)之间的引力相互作用所造成的结果。引力作用经常触发新的恒星形成过程,导致内部气体云的坍缩。| 图片来源:NASA/ESA/The Legus Team

2011年,天文学家在距离地球3000万光年远的星系Henize 2-10中发现了第一个这样的黑洞。这一意外的发现激起了一番搜寻热潮,目前已经发现了100多个矮星系拥有这样的黑洞。

 Henize 2-10是一个矮星爆星系,有大量的恒星正在形成。| 图片来源:NASA/NRAO

在一项新的研究中,Amy Reines等人使用甚大阵(VLA)进行了一次矮星系大搜索。他们先从NASA的斯隆图集中选择了一个星系样本,这是一个可见光波段下的星系汇编。他们选择了质量小于30亿倍太阳质量的星系。从这个样本中,他们选择了同样出现在1993年至2011年间NRAO国家射电天文台的FIRST星表中的候选星系,然后利用VLA对选定的111个星系拍摄了新的分辨率更高的图像。最新的VLA观测显示,其中13个矮星系中含有一个正在吞噬周围物质的巨大黑洞。

 VLA观测到的星系图像,其中都包含了大质量黑洞。中间的插图是一副艺术构想图,勾勒了围绕着黑洞的吸积盘和向外喷射的喷流。| 图片来源:Sophia Dagnello/NRAO/Decals Survey/CTIO

而更令人惊讶的是,在这13个矮星系中,其中有6个黑洞明显不位于星系的中心。这一点有别于一些更大星系中的情况。

 在VLA所拍摄的111个候选星系中,其中有13个包含着一个活跃的大质量黑洞。| 图片来源:A. E. Reines et. al.  

为什么会这样?原因很简单:在那些”安静“的星系中,黑洞会位于它们的中心;而在那些正在合并,或正发生相互作用的星系中,黑洞则会有偏离中心。

所有这些星系的形态都表明它们近期与其他星系发生了合并或发生了引力相互作用。| 图片来源:A. E. Reines et al.

Reines表示,这项研究告诉我们,若要在矮星系中寻找大质量黑洞,我们必须扩大搜寻范围,不能局限在星系中心,这样才能更全面地了解这些黑洞的数量,并了解是什么机制帮助形成了早期宇宙中的最早一批大质量黑洞。

 在这个矮星系中,存在着一个质量比恒星系统大得多,但比超大质量黑洞轻得多的大质量黑洞。这颗黑洞并不位于星系中心,这种现象只出现在形状不规则的矮星系中,它很可能代表近期的一次合并事件所产生的结果。| 图片来源:Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF

或许当这些合并或相互作用的过程全部完成之后,这些黑洞也许最终会终止“流浪”,回到星系的中心位置。

参考链接:

https://public.nrao.edu/news/wandering-black-holes-dwarf-galaxies/

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/01/06/the-smallest-galaxies-have-off-kilter-black-holes-but-astronomers-know-why/#68eed4134d2c

本文来自微信公众号:原理(principia1687),作者:Zwicky