編者注:在她的文章《金髮姑娘黑洞》中,珍妮·E·格林討論了質量範圍從大約 1,000 個太陽到 100 萬個太陽的黑洞——宇宙尺度上的中等質量黑洞。這些中等質量的黑洞可能為星系的起源和在星系中心發現的超大質量黑洞(質量為數百萬到數十億個太陽)提供線索。天文學家現在已經發現了數百個中等質量的黑洞,特別是透過分析斯隆數字巡天的資料,該巡天已經記錄了十多年來天空大面積星系的光。然而,在許多方面,對中等質量黑洞的普查是不完整的。下面,格林討論了額外的研究,這些研究將在未來填補空白,並可能推動天體物理學家對中等質量黑洞的理解走向新的方向。
對中等質量黑洞的搜尋仍處於起步階段,我們對這些物體的理解可能會隨著更大、更完整的星系樣本而改變。例如,
斯隆巡天 (http://www.sdss.org/) 對於在天空中的主要星系樣本中進行中等質量黑洞的普查是無價的。然而,它僅限於足夠明亮以便其專用望遠鏡進行合適觀測的星系。衛斯理大學的愛德華·C·莫蘭和他的合作者正在透過檢查北天 2 億光年內的所有星系,並降低到非常微弱的極限來擴大普查範圍。他們正在獲取每個星系的光譜,並分析其是否存在活動黑洞的跡象。他們已經在小型星系中發現了近 20 個新的中等質量黑洞候選者。
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中等質量黑洞也可能在罕見事件中顯露出來,例如當一個黑洞撕裂併吞噬一顆靠得太近的恆星時。每週幾次觀察同一天空區域的光學巡天可能會發現這些災難產生的特徵性耀斑。這樣的耀斑會持續幾個月,並且通常在紫外光中最亮,但是小型黑洞可能會產生在可見光中最亮的耀斑。3 月,軌道伽馬射線望遠鏡 雨燕
探測到一次爆發,這很可能來自遙遠星系中的一顆恆星被質量不超過約 1000 萬個太陽的黑洞撕裂。
改進中等質量黑洞的普查需要良好的質量測量。測量黑洞質量(事實上,確認黑洞是否存在)最可靠的方法是檢測附近恆星和氣體運動中黑洞引力的跡象。不幸的是,對於中等質量黑洞,這些效應太小,天文學家只能在最近的星系中檢測到。去年,現在在猶他州鹽湖城的猶他大學的阿尼爾·C·塞思和他的同事繪製了附近星系 NGC 404 中恆星的運動,並得出結論,它在其核心包含一個幾十萬太陽質量的黑洞。NGC 404 距離我們僅 1000 萬光年,是同類型星系中最接近的(一種具有非常小凸起的星系,因此是中等質量黑洞的主要候選者)。
下一代地面光學望遠鏡將於本世紀末開始執行,將使數百個星系進入此類研究的範圍。這些望遠鏡(
巨型麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡)將寬 20 到 30 米,是當今最大望遠鏡的兩倍以上,使它們能夠探測到遠至 5000 萬光年遠的室女座星系團中的中等質量黑洞。
更多的中等質量黑洞也可能以意想不到的方式出現。現在在弗吉尼亞州夏洛茨維爾的國家射電天文臺的艾米·雷恩斯在 2010 年檢視無線電波和紅外影像,以研究小型星系中恆星種群爆炸中恆星的形成方式。有一天,她在其中一個星系的中心發現了有趣的東西,遠離新形成的恆星群。與舊的 X 射線影像進行比較後發現,她的物體很可能是一個黑洞,質量約為 10 萬到 1000 萬個太陽。即使這個黑洞最終比真正的中等質量黑洞大,它獨特的定位——在恆星新形成的小星系中——與宇宙的第一個黑洞可能遇到的條件非常相似。正在進行後續觀測以確認該物體實際上是一個黑洞並瞭解更多資訊。與此同時,雷恩斯正在尋找類似星系中的更多例子。未來使用具有更高靈敏度的新型射電望遠鏡進行的搜尋,與 X 射線資料結合,也可能會發現以前被忽視的附近星系核心中的黑洞。
編者注:在她的文章《金髮姑娘黑洞》中,珍妮·E·格林討論了質量範圍從大約 1,000 個太陽到 100 萬個太陽的黑洞——宇宙尺度上的中等質量黑洞。格林的文章側重於在星系中心尋找中等質量黑洞。在這裡,她討論了在其他地方尋找中等質量黑洞的可能性。
超大質量黑洞,質量相當於數百萬或數十億個太陽,發現在星系的中心。這也是大多數研究人員尋找中等質量黑洞的地方——質量小於約 100 萬個太陽的黑洞,因為它們的原始種子黑洞,無論出於何種原因,都沒有成長為超大質量。然而,星系核可能是尋找這些中等質量黑洞的錯誤地方。
例如,如果原始種子黑洞形成於密集星團的中心(正如我在2012 年 1 月專題中討論的那樣),也許天文學家應該在那裡尋找失敗的超大質量黑洞。事實上,天文學家已經報告在兩個巨大的星團中探測到了中等質量黑洞的引力效應,
一個在被稱為人馬座歐米茄的星團中,位於我們自己的銀河系中,另一個在我們的鄰居仙女座星系中。然而,到目前為止,這些觀測結果仍存在爭議。
即使所有的種子黑洞都形成於原星系的中心,它們中的許多可能不再存在於星系核中。當一個小星系落入一個更大的星系時,小星系中心的黑洞可能最終會在大星系的外部區域軌道上執行。當黑洞合併時,黑洞也可能從它們的星系中心被彈出。當三個(或更多)黑洞靠近時,可能會發生這種彈出,其中一個被甩出,留下另外兩個合併。或者,一個簡單的雙黑洞合併可能會發出定向的引力波脈衝,導致合併後的黑洞從星系中心反衝出去。
天文學家已經在遠離星系核的地方發現了發出驚人數量 X 射線的物體,這可能是中等質量黑洞。如果這些超亮 X 射線源向所有方向均勻輻射,那麼它們的 X 射線太多,不可能來自一個普通的恆星質量黑洞。這一事實,加上 X 射線的其他特性,導致一些天文學家提出,質量為 1,000 到 10,000 個太陽的黑洞正在為這些源提供動力。
現在,像錢德拉這樣的軌道 X 射線望遠鏡已經飛行了十多年,天文學家擁有了一個龐大的 X 射線源資料庫可供考慮。在一項調查中,研究人員正在對不在星系核中的 X 射線源進行後續光學和(最終)射電觀測,以確定這些源的性質。另一項在德克薩斯大學奧斯汀分校開始的調查,專門尋找大型橢圓星系外圍吸積黑洞的跡象。這項調查將使用具有非常大視野的儀器,以便單次觀測可以尋找超出這些星系邊緣的有趣黑洞候選者,並達到非常敏感的極限。這些調查將大大加強天文學家對失敗的超大質量黑洞的普查。