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宇宙中星系稀少的"荒凉"区域惊现超大质量黑洞
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-05-23 16:53

图片说明:图为电脑合成,展示了位于星系中心的一个超大型黑洞。   图片来源:NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (Space Telescope Science Institute)


近日,天文学家在NGC1600星系中心发现了一个新的超大质量黑洞,质量是太阳质量的170亿倍,只略小于此前发现的最大质量黑洞(其质量具有不确定性,最多是太阳质量的210亿倍)。新发现的黑洞位于宇宙中一处“荒凉”的区域,就像小镇上坐落着一座摩天大楼一样。

这一研究发现令人震惊,因为NGC1600是波江座(位于猎户座的西南方向,即在南北方向蜿蜒延伸的星座)的一个星系,距离地球2亿光年远,所属星系群中星系较少,而目前发现的巨型黑洞往往都位于星系密集的区域。因此,研究人员也许需要重新思考这些问题:巨型黑洞分布于宇宙何处?宇宙中共存在多少个黑洞?

这项研究的作者之一、美国加利福尼亚大学(the University of California)的天文学家马中佩(Chung-Pei Ma)表示,宇宙中可能存在更多类似的超大质量黑洞,它们并不在宇宙的“繁华”区域(即星系密集的区域),而是在相对“荒凉”的区域(即星系稀少的区域)。

图片说明:图中中上位置以及插图所示的是NGC1600巨大的椭圆星系,NGC1600比其他星系更大更明亮,最新研究发现该星系中心藏有一个超大质量黑洞,是太阳质量的170亿倍。 图片来源:NASA, ESA, Digital Sky Survey 2


在最开始的研究观察中,马中佩和同事并未清晰地观测到NGC1600星系中心发出的光谱,但她们已经察觉出这次的发现会非同凡响。马中佩说:“这就像我们正在很远的地方看着飓风席卷而来,我们无法判断飓风威力(黑洞质量)到底有多大,但飓风太大,以至于我们在初步接触时就已经开始感觉到有风袭来了。”

抱着可能发现了一个超大质量黑洞的想法,研究小组接下来借助双子星天文台(结合了分别位于夏威夷和智利的两架望远镜)北面的一架望远镜观察了该椭圆星系,探究了该黑洞的“影响范围”。在这样的影响范围内,黑洞质量驱使周围的天体高速转动,影响力更甚于星系质量的影响。通过NASA的哈勃太空望远镜观察的数据,研究小组确定了黑洞所在位置。马中佩表示,周围的天体转动速度之所以非常快的唯一解释,是星系中心存在一个质量为170亿个太阳质量的黑洞。

黑洞的形成

目前,天文学家们发现的最大质量黑洞位于星系稠密的后发座星系团(目前已确定包括1000个星系),质量是太阳质量的210亿倍,该黑洞所处的星系周围环绕有同等亮度的星系,而NGC 1600星系的亮度却至少是其周围星系的3倍。NGC 1600星系中心的黑洞质量约为所在星系质量的2%,这比天文学家认为的黑洞质量占所在星系质量的比例还要大9倍。

大质量天体塌缩时就会形成小型黑洞,而当两个星系合并时,星系中心的较大黑洞可能会通过不断吸收星系中残留的尘埃和碎片,与其他黑洞发生碰撞并与之合并,质量迅速膨胀。马中佩表示,通常而言,超大质量星系是通过碰撞或吞食其他星系而逐渐形成的:星系间互相靠近彼此,在某一天发生碰撞,然后就会合并形成更大的星系,而原有星系中心的两个黑洞也会合并形成更大的黑洞。

因此,超大质量的星系是通过一些小型星系间不断合并而来,而星系中的黑洞也通过合并形成超大质量的黑洞。这样看来,似乎星系更为云集的区域更有可能形成超大质量黑洞,然而NGC1600星系却地处较“荒凉”的宇宙区域。

那么,为什么这里会形成这样一个超大质量黑洞呢?马中佩表示,一个可能的解释是因为NGC 1600星早先吞食了其周围的星系,也合并了周围星系中的黑洞,这也可以解释为何NGC1600星系周围的星系寥寥无几。另外一种可能的解释是因为该黑洞所处的宇宙区域早先有很多尘埃碎片,或者NGC1600星系的黑洞质量在宇宙早期就已经非常大了。

可能是双星黑洞

研究小组不仅探究了该黑洞的位置所在,还集中研究了其本身的形成。两个星系合并时,星系中心的两个黑洞间会相互环绕,距离逐渐逼近,直至最终合并成一个黑洞。研究小组的观察表明,NGC1600星系中心的黑洞可能其实是两个正处于合并期的黑洞,也可能是刚刚合并形成的单一黑洞。尽管并不确定,但NGC1600星系无疑可作为科学家研究引力波的对象,因为黑洞相互绕转并发生碰撞时就会产生引力波,而已经合并形成的单一黑洞则不会产生引力波。

黑洞无处不在?

未参与这项研究的美国哈佛大学天文学系主任Avi Loeb表示:“如果能发现更多类似这种超大质量黑洞,从而探究这样的黑洞是异常还是典型现象,那就更有趣了。最根本的问题在于,什么样的宇宙环境条件会孕育出这种超大质量黑洞,我们非常希望之后的类似研究可以解答这一问题。”

目前,研究小组希望借助哈勃望远镜进一步观察NGC 1600星系,以便更好地了解该星系的中心,以及更为精确地计算出黑洞的质量。他们也将继续展开大规模调查研究,探索大质量黑洞的分布规律。

尽管目前为止发现的超大质量黑洞都集中分布在星系密集的宇宙区域,但宇宙中更为常见的是星系较少的“荒凉”区域,因此,如果黑洞广泛分布于宇宙“荒凉”区域,那么NGC1600星系中心发现的黑洞或许只是“冰山一角”。(科学之家,译审/编辑:YWY)

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