迄今为止发现的最大的黑洞之一坐落在宇宙的死水中,就像一座小镇上高耸的摩天大楼。
天文学家在NGC 1600星系中心发现了一个超大质量黑洞,杏2系列其质量是太阳质量的170亿倍,仅比已知最大黑洞略小,最大黑洞的质量为210亿太阳质量。
这是一个惊喜,因为NGC 1600,位于距地球2亿光年的Eridanus星座,属于一个中等大小的星系群,而且迄今为止发现的巨型黑洞往往是在密集的星系团中发现的。因此,研究人员可能不得不重新思考他们关于巨型黑洞存在于何处,以及有多少黑洞可能存在于宇宙中的想法,研究小组成员说。
该研究的合著者、加州大学伯克利分校的天文学家马仲培(Chung-Pei Ma)说:“就星系的大小或星系所在的位置、环境而言,黑洞比我们预期的要大得多。”
她告诉Space.com:“这是令人费解的部分,或者说是有趣的部分。”“可能会有更多的NGC 1600潜伏在更普通的地方,比如美国的小城镇,而不是曼哈顿。”Ma是“大巡天”项目的负责人,这是一个始于2014年的多台望远镜的项目,旨在识别和编目附近最大的星系和黑洞。NGC 1600首次出现在调查中,数据来自德克萨斯州的麦克唐纳天文台。
一项新的研究表明,NGC 1600星系比它的同类星系要大得多,也要亮得多,它拥有一个质量是太阳质量170亿倍的黑洞。NGC 1600是这张图片中心的大椭圆星系,也显示在插图中。
虽然最初的观测还不够详细,无法清楚地看到银河系中心的光谱,但马和她的同事们已经可以看出,他们看到了一些不同寻常的东西:“这有点像从很远的地方观察飓风,”她说。“我们不知道这场飓风有多大,这个黑洞有多大,但是这场飓风太大了,我们已经开始用这些粗糙的数据来感受风了。”
由于怀疑他们发现了一个非常大的黑洞,研究小组成员接下来利用位于夏威夷和智利的双子天文台的北半部对椭圆星系进行了研究。“双子座”允许他们探测黑洞的“势力范围”,马说——黑洞的质量比整个星系的质量更有影响力的区域,在那里它使恒星运动起来。他们还用美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的数据仔细观察了这个地点。
她说,这些恒星“运行速度如此之快,它们以这种速度运行的唯一方式是在中心有一个170亿太阳质量的黑洞”。
迄今为止发现的最大的超大质量黑洞,其质量是太阳的210亿倍,并且位于一个更令人期待的位置:密度极高的后发星系团,其中包括1000多个已确认的星系。(相比之下,潜伏在银河系中心的黑洞总质量约为400万个太阳质量。)
后发星系团中的黑洞位于一个被明亮的同伴环绕的星系中,但NGC 1600比它的邻近星系至少要亮三倍。NGC 1600的黑洞占据了星系质量的2%,这比星系中心的黑洞要大10倍。
当大质量恒星坍缩时,就会形成小黑洞。位于星系中心的那些巨大的黑洞很可能是在生命早期吸收了大量的尘埃和碎片,并与其他黑洞发生碰撞和融合而变得如此之大,而碰撞和融合发生在两个星系合并的时候。
“我们理解星系和黑洞如何成长到如此高质量的方式来自于星系是如何形成的,”马说。“一般来说,我们认为它们是由新兴的星系碰撞或同类相食而形成的——它们相撞在一起,就像银河系和仙女座星系一样:我们彼此靠近,总有一天会相撞。”所以我们会形成一个更大的星系,而两个独立的黑洞的前身星系会一起形成一个更大的黑洞。”[观看:银河系和仙女座星系碰撞模拟]
所以最大的星系通常是由几个合并的小星系形成的,它们相应的黑洞也合并了。一个更拥挤的星系团为超大黑洞的形成创造了有利条件,但NGC 1600是一个更稀疏的区域。
马说:“有一种可能性是,ngc1600可能已经吞噬了它的朋友。”“它吞噬了它的朋友,在这个过程中,它获得了它们的黑洞——也许它以朋友为代价变得如此之大。”
这可以解释NGC 1600附近异常空旷的社区。
马说,另外一种可能是,这个黑洞可能位于宇宙的一个区域,在其生命早期有大量的气体。
她说:“宇宙年轻时含有大量气体。”“也许在银河系非常年轻的时候,它变得非常非常大。”
如果是这样的话,马补充说,这个黑洞可能会增长到现在的大小,杏耀YL而不必居住在人口更密集的地区。
除了探索其位置的奥秘外,研究人员还将目光锁定在黑洞本身的条件上——或者可能是黑洞本身。
当两个星系合并时,它们的中心黑洞会互相环绕,越来越近,直到它们合并成一个。研究人员的观察表明,NGC 1600中心的黑洞实际上可能是两个正在合并的黑洞,或者是一个最近才合并的黑洞。
这里的关键洞见是,当星系发出明亮的星光时,其中心却显得异常空旷。如此大的星系通常有相对明亮的核心,马说。
“我喜欢这么说,出于某种原因,星星似乎很害怕中心;不知怎么的,他们不想离得太近,”她说。“目前,解释这个被探测到的区域存在的最优雅的方式是通过双黑洞。”
那些距离太远而不能直接被拉入星系的恒星仍然会受到星系的严重影响。马说,一个中心有两个超大质量黑洞的系统的动力学是这样的,靠近的恒星会快速旋转,并向外加速,逃离这个系统,迫使黑洞彼此移动一点点。每一颗恒星的影响都很小,但随着时间的推移,黑洞会越来越近,并最终在一个环中共存,在这个环中,大多数邻近的恒星都被抛出了。
研究人员目前还不能确定这个系统是两个黑洞还是已经合并成一个了。但是,对于研究引力波的科学家来说,NGC 1600可能是一个主要的候选者,马说:引力波将由仍在旋转和碰撞的黑洞产生,而不是由已经结合在一起的黑洞产生。
哈佛大学天文系主任阿维·勒布称这项新发现令人兴奋。
Loeb没有参与这项研究,他在一封电子邮件中告诉Space.com:“如果能找到更多质量范围在这个范围内的黑洞,
杏耀主管 ,并检查这是一个例外还是一个典型案例,那将会很有趣。”
“最根本的问题是,哪种环境条件孕育了最大质量黑洞的成长?”他说。“我们希望通过未来类似的研究来知道这个问题的答案。”
Loeb补充说,NGC 1600黑洞的大小使它成为视界望远镜的一个好目标,视界望远镜是世界上9个望远镜的联盟,它们将一起工作来为黑洞成像。
研究小组成员希望利用哈勃望远镜进一步研究NGC 1600,以便更好地观察它的核心,更精确地确定黑洞的质量,他们将通过这项大规模研究继续了解大黑洞的分布。
与迄今为止发现的最大黑洞所在的超密度区域相比,银河系中人口稀少的区域要普遍得多。所以,如果这么大的黑洞在这些地区也很常见,那么NGC 1600可能只是“冰山一角”,马说。她补充说,MASSIVE应该能揭示巨型动物有多普遍,并扩大研究人员对这种动物的了解。
“我有信心我们会找到黑洞——如果我们找不到,那将是非常非常奇怪的事情——但问题是……这些黑洞能有多大?”170亿,200亿(太阳质量)在哪里停止增长?也许还有更大的怪物我们还没有发现呢?”