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哈勃太空望远镜发现距离地球最近的大质量黑洞——一条冻结在时间中的宇宙线索

2024-07-16 10:21阅读：

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哈勃太空望远镜发现距离地球最近的大质量黑洞——一条冻结在时间中的宇宙线索
By Robert Lea
2024/7/15
Black Holes
它被发现在半人马座欧米茄星系中，一个被自相杀的星系的遗迹。
用哈勃太空望远镜，天文学家已经发现了从来看到过的距离地球最近的大质量黑洞，一个“冻结在时间中”的宇宙巨人。
作为一个难以捉摸的“中等质量黑洞”的例子，该天体可以作为理解恒星质量和超大质量黑洞之间联系中的一个缺失环节。这个黑洞出现有约为8200个太阳的质量，这使它的质量比质量是太阳的5到100倍的恒星质量黑洞可考虑的大质量，而质量比被恰当命名的超大质量黑洞小得多，超大质量黑洞有是太阳的数百万到数十亿倍的质量。科学家们已经发现的最接近的恒星质量黑洞被称为Gaia-BH1，它位于距离我们仅1560光年远处。
另一方面，新发现的中等质量黑洞居住在一个距离地球约18000光年远的大约一千万颗恒星集合的叫半人马座欧米茄中。
哈勃太空望远镜发现距离地球最近的大质量黑洞——一条冻结在时间中的宇宙线索


(Image credit: ESA/Hubble/NASA/M.Haberle (MPIA))
有趣的是 “冷冻”黑洞出现已经阻碍了它的生长的事实支持半人马座欧米茄是一个被我们自己的星系吞噬的古老星系的遗迹的想法。
这将提示半人马座欧米茄实际上是一个当银河系吞咽它时它的进化被打断的小型隔开星系的核。如果这一事件从未发生过，这个中间黑洞可能已经发展到超大质量状态就像银河系自己的超大质量黑洞人马座a*（Sgr a*）一样，它有一个是太阳的430万倍的质量，位于距离地球2.7万光年远处。
狩猎缺失的东西
科学家们早就知道并非所有的黑洞都被平等的创造。虽然已知恒星质量黑洞经由质量至少是太阳八倍的恒星坍塌形成，但超大质量黑洞一定有一个不同的起源。这是因为没有一颗恒星是大质量足以来坍塌并留下一个数百万倍于太阳质量的残骸。
因此，科学家们提出超大质量黑洞由于越来越大的更大黑洞的合并链被诞生和成长。这已经被来自黑洞合并发放的空时涟漪（称为引力波）的探测证据。
这种黑洞合并和增长的过程与恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间巨大的质量差结合意味着应该有一群中等大小的黑洞。

哈勃太空望远镜发现距离地球最近的大质量黑洞——一条冻结在时间中的宇宙线索
一幅插图显示三种类型的天体物理黑洞，从左边质量最大的黑洞到右边质量最小的黑洞。(Image credit: Robert Lea (created with Canva))
然而，这些有质量在太阳的几百到几千倍之间的中等质量黑洞很大程度上似乎已经避免了探测。这是因为像所有黑洞一样，这些中等大小的宇宙巨人被叫事件地平线的外部边界为标志。
事件地平线是指向一个黑洞的引力影响变得如此巨大以至于甚至光不能足够快逃脱它的点。这样，只有如果黑洞被要么吃食的物质包围这些物质加热辉光要么在一个所谓的“潮汐破坏事件”（TDE）中撕裂开并吃食一颗不幸的恒星时黑洞才在光中是可见的。
中间的黑洞如半人马座欧米茄中的黑洞，没有被大量的物质和食物包围。
这意味着天文学家当狩猎这样的黑洞时不得不有点狡猾。他们用这些空无对物质的引力效应比如环绕它们的恒星或穿过它们的光。这一新发现的团队用了前一种方法。
一颗飞驰的恒星
狩猎这个中间黑洞始于2019年，当时马克斯·普朗克天文学研究所（MPIA）的那丁牛马耶尔和犹他大学的阿尼尔赛斯（Anil Seth）设计了一个研究项目来改进我们的半人马座欧米茄形成历史的理解。
特别是，研究人员和合作者、马克斯普朗克天文学研究所博士生马克西米连哈勃尔（Maximilian Häberle）要在半人马座欧米茄中发现快速移动的恒星，将证明该星团有一个大质量的、密集或紧凑的“中央引擎”黑洞。一个类似的用一个在银河系中心快速移动的恒星群来确定Sgr A*的质量和大小的方法
哈勃尔和他的团队使用了这个星团的500多张哈勃图像来建立一个庞大的半人马座欧米茄中恒星运动数据库，测量了大约140万颗恒星的速度。哈勃望远镜进行的半人马座欧米茄的这种越发重复的观望不是出于科学兴趣而是来校准它的仪器，对该团队的使命是理想的数据集。
哈勃尔说，“寻找高速恒星并记录它们的运动就像大海捞针一样”。该团队最终发现了不是一个而是七颗“大海捞针恒星”，它们都在半人马座欧米茄中心的一个小区域内快速移动。

哈勃太空望远镜发现距离地球最近的大质量黑洞——一条冻结在时间中的宇宙线索
移过射手座A*，地球附近还有另一个大质量的黑洞。 (Image credit: EHT Collaboration)
这些恒星的快速运动被附近的一个集中质量造成。如果研究小组只发现了一颗快速恒星，就不可能来确定它的速度是由一个大和近的中心质量造成还是是否这颗恒星是一颗缺乏任何中心质量以直线路径快速运动的失控恒星。
发现和测量七颗恒星的不同速度和方向允许做出这一决定。测量结果揭示一个相当于8200个太阳质量的中心化质量，而该区域的可视检查没有揭示类似恒星的天体。如果一个黑洞位于这个区域中这正是会被期望的，该团队确定这个区域是“光月” 宽。
我们的星系已经足够成熟已经在它的核生长出一个超大质量黑洞的事实意味着它可能已经超越了拥有许多中等质量黑洞的阶段。该团队说这一个存在于银河系中，因为它的原始星系的自相食恰好缩减它的生长过程。
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哈勃尔说，“之前的研究已经敦促了‘如此高速恒星在哪里？’的关键问题，我们现在对此有一个答案并证实半人马座欧米茄包含一个中等质量的黑洞，在一个大约18000光年的距离，这是已知的最接近的一个大质量黑洞的例子” 。
当然，这没有真的改变Sgr A*作为距离地球最近的超大质量黑洞的地位，也没有改变Gaia BH1作为距离地球最近的恒星质量黑洞的状态，但它提供一些当科学家在考虑我们的中心黑洞最初如何变成这样一个宇宙巨人时正走在正确的轨道上的确保。
该团队的研究于周三（7月10日）发表在Nature杂志上.

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