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银河中心可能存有数万个黑洞

 

    美国哥伦比亚大学(Columbia University)天文物理学家Chuck Hailey等人透过钱卓X射线观测卫星(Chandra X-ray Observatory)历来观测资料,在人马座A*(Sagittarius A*,Sgr A*)周围发现12个黑洞与低质量恒星组成的双星系统。

人马A*是银河系中心(简称银心)超大质量黑洞(supermassive black hole,SMBH)所在之处。天文学家在数十年前便已预测:像银河系这样的大型星系,其中心超大质量黑洞的周围应该会有数千颗小型黑洞环绕,但这项预测一直未获证实;Hailey等人的发现是第一次有证据能证明这个预测是正确的。相关论文发表在2018/4/5出刊的「自然(Nature)」期刊中。

  想了解超大质量黑洞和小黑洞之间的交互作用,就得先了解它们的分布概况,只有距离够近的银河系中心能提供这样的研究机会。银河系直径约100,000光年,目前银河系中已确认的黑洞只有60个左右,不过天文学家认为在银心直径约6光年范围内的黑洞总量应该达10000-20000颗左右,虽然天文学家已经开始尽力在离我们最近的超大质量黑洞—人马A*周围搜寻,但迄今都没有确切的证据。

  人马A*周围有个由气体和尘埃组成的晕状结构,是极佳的大质量恒星孕育地点,这些大质量恒星在此诞生、演化、死亡,最后残骸形成了黑洞。此外,来自气体尘埃晕以外的黑洞也会在超大质量黑洞的强大重力下被拖往人马*邻近之处。绝大部分困于此处的黑洞都还是单星状态,但有些黑洞会捕获经过它附近的恒星而形成双星系统。 Hailey等人相信在银心附近聚集着大量黑洞单星和有伴的黑洞双星,在与超大质量黑洞一定距离处,形成一个极为密集拥挤的区域。

  黑洞单星发出的辐射逃不过自身重力场因而不易搜寻,所以天文学家多半把目光放在黑洞双星上。然而过去天文学家之所以无法成功搜寻到密集区,原因在于搜寻的焦点放在寻找黑洞遭遇伴星时会产生强烈X射线爆(X-ray burst)的这个现象。但因为银心离我们太远了,每100~1000年才有一次够强、够亮的这种X射线爆发事件能被侦测到,所以Hailey等人转移目标,搜寻黑洞与被捕获的恒星初组成双星后比较不活跃的阶段里所发出的较昏暗但较稳定的X射线辐射。

  当黑洞与一颗低质量恒星结伴形成双星系统之后,会发出微弱但稳定且能侦测到的X射线爆。如果能发现黑洞与低质量恒星结合的实际例子,并知道黑洞会与低质量恒星结合成双星的比例有多少,即可推断出银心附近的黑洞单星数量有多少。 Hailey等人利用钱卓资料库的观测资料来测试他们的搜寻方式,在离人马A*半径3光年范围内找到12组黑洞-低质量恒星组成且处在不活跃阶段的双星系统。他们分析这些双星系统的特性和空间分布状况,然后以其为基础,从他们的观测结果外推得出人马A*周围应该有300~500对黑洞-低质量恒星双星,以及约10,000个黑洞单星。

  这项发现不仅能证明大型星系中心超大质量黑洞周围有大量较小黑洞的预测是对的,而且也对未来的重力波搜寻和研究提供相关讯息。

 

 

 

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