天文台快遞 | 中等質量黑洞候選體HLX-1的爆發之謎

星系ESO 243-49的哈勃圖像，小圓圈標記了HLX-1的位置。

Image Credit: NASA, ESA and S. Farrell (University of Sydney and University of Leicester)

觀測上，黑洞有兩個極端的質量，一類是由大質量的恆星死亡坍縮後形成，稱為恆星級黑洞，質量在幾倍至幾十倍太陽質量；另一類是位於星系中央的超大質量黑洞，其質量可達數百萬至數十億倍太陽質量。而處於這兩個極端質量之間的黑洞，即所謂的中等質量黑洞在大約一百至十萬倍太陽質量之間。這類黑洞是否存在，仍未有定論，而它的存在與否對於超大質量黑洞是如何形成的具有重大的意義。天文學家們已經尋找了幾十年，也有很多天體被認為是中等質量黑洞的候選體，但是迄今仍然沒有充分的證據來證明。超亮X射線源就是一類這樣的候選體，而光度最高的超亮X射線源ESO 243-49 HLX-1則是這類候選天體中最有可能的一個。近日，上海天文台余文飛研究員領導的科研團隊對這個源的身份之謎展開了進一步的研究，分析了X射線衛星Swift對HLX-1從2009年至2015年的六個爆發的監測數據，通過與銀河系內恆星級黑洞X射線雙星比較，闡述了其作為中等質量黑洞的可能性大小。「這個謎底還未解開，但我們已經在路上」。該工作發表在天文國際核心期刊《天體物理雜誌》（Astrophysics Journal）。

HLX-1的高X射線光度：HLX-1是中等質量黑洞最強有力的候選者

HLX-1於2009年由當時圖盧茲大學的Sean Farrell領導的研究團隊從歐洲空間局（ESA）的XMM-Newton X射線望遠鏡的數據中發現的。HLX-1是目前已知的光度最高的超亮X射線源。這麼高的X射線光度(~1 x 1042 erg s?1, 0.2-10.0 keV)很難是由恆星級質量黑洞產生的，而它又位於星系ESO 243-49的邊緣（見上圖小圈標記），肯定不是星系中心的超大質量黑洞，使得HLX-1成為了中等質量黑洞最強有力的候選者。

如果HLX-1包含了一顆中等質量黑洞，對於它的形成和演化，大家有眾多猜測，其中一種說法即是其來源於星系碰撞併合。之前有些工作猜測HLX-1本身位於一個矮星系的中心，隨後這個星系與大星系ESO 243-49發生碰撞併合，矮星系中的恆星被大星系吞噬從而使其中心黑洞——HLX-1——暴露出來。Sean Farrell在2012年利用哈勃空間望遠鏡觀測到HLX-1附近可能存在大量年輕的藍色恆星，這些觀測證據暗示了上述觀點的可能性。

HLX-1的X射線爆發

對於HLX-1在X射線波段的監測表明其有類周期性的X射線爆發，大約一年左右會爆發一次，其中會經歷大約十天左右的爆發上升時期和200天左右的爆發下降時期，隨後進入了休眠狀態。這種爆發性質吸引了眾多天文學家的研究興趣。因為它的爆發與已知的大多數銀河系內恆星級黑洞X射線雙星系統十分相似，而它們的爆發一般認為來自於吸積盤的不穩定性，其爆發的時標由粘滯時標決定。

前人工作通過計算髮現如果HLX-1包含了一顆中等質量黑黑洞，它的粘滯時標大約為百年量級，而觀測到的爆發只有百天量級，這一矛盾使人們推論其X射線爆發並不能簡單地由吸積盤模型的不穩定性解釋。其他工作又提出了一種解釋，認為一顆恆星沿著非常橢圓的軌道圍繞黑洞旋轉，當它靠近黑洞時，物質就被黑洞吸積，從而引起了爆發。隨著爆發的增多，大家發現它們的間隔並不是周期性的，所以這個模型也被否定了。HLX-1的爆發的原因依然是個未解之迷。

上海天文台關於HLX-1本質探索的最新工作

上海天文台余文飛研究員領導的科研團組分析了X射線衛星Swift對HLX-1從2009年至2015年的六個爆發的監測數據。「我們的研究定量地證實了HLX-1的一些爆發的性質（比如上升時標，下降時標，持續時標，釋放的總能量等）隨著時間有演化趨勢，而且我們發現隨著時間的推移，HLX-1在爆發期間的時間越來越短，在休眠期間的時間越來越長，這個發現有助於揭示它的爆發的起源。」

基於之前的對銀河系內恆星級黑洞X射線雙星的系統研究結果，他們將其與HLX-1的爆發性質進行了定量的比較。「我們進一步證實了HLX-1的爆發輪廓，時標以及爆發期間X射線能譜演化等性質與已知的大多數銀河系內恆星級黑洞X射線雙星系統十分相似；在每個爆發期間，HLX-1也經歷了和恆星級黑洞X射線雙星相似的X射線能譜演化。」文章的第一作者、上海天文台副研究員閆震說，「我們又發現其態躍遷發生的光度、爆發上升時光度變化率與爆發峰值光度之間都符合我們在銀河系內恆星級黑洞X射線雙星系統中發現的近似線性的關係。」

前人的工作還發現在HLX-1的能譜態躍遷期間，也伴隨著間歇性噴流。這些相似性表明HLX-1可能是一個放大版的黑洞X射線雙星系統，只不過它的黑洞不是恆星級的，而是幾千倍太陽質量。但是定量比較顯示它的爆發期間的各種特徵時標也和銀河系內恆星級黑洞X射線雙星相似，而這些時標是和吸積盤的大小相關的，通常吸積盤的大小又和黑洞質量是相關的。這就造成了一個難以解釋的矛盾，一方面爆發的各種時標表明HLX-1吸積盤的尺度應該與恆星級黑洞在一個量級，而另一方面，其超高的X射線光度又表明其吸積率和黑洞質量（和吸積盤尺度相關）都高於銀河系內恆星級黑洞約三個量級。這一矛盾更突出了HLX-1作為中等質量黑洞候選者的特殊性質。 （轉自：天之文）

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