發現數千個黑洞在銀河系中心嗡嗡作響的證據

自20世紀70年代以來，天文學家就已經了解到一個超大質量黑洞(SMBH)位於銀河系中心。這個黑洞位於人馬座和天蠍座之間，距離地球約26000光年，被稱為人馬座A* (Sgr A*)。這個天體的直徑為4400萬公里，大約是太陽的4百萬倍，產生了巨大的引力。

2013年9月14日天文學家們在銀河系中心的超大質量黑洞中發現了有史以來最強大x射線耀斑，即人馬座A* (Sgr A*)。圖片：NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.

從那時起，天文學家們已經發現，大多數巨大星系的核心都有超大質量黑洞（SMBH），這就是活躍星系核(AGN)與不活躍星系核(AGN)的區別。但是，由於最近一項使用美國宇航局錢德拉x射線天文台的研究調查，天文學家已經發現了數百甚至數千個位於銀河系中心附近黑洞的證據。

研究結果最近發表在《自然》期刊上，標題是「銀河系中央一個靜止x射線雙星的密度點」。這項研究由哥倫比亞大學的物理學教授、哥倫比亞大學天體物理實驗室的聯合主任查克·海利領導，他還包括在智利的Pontificia大學和哈佛-史密森天體物理中心的成員。

銀河系中心x射線雙星用紅色圓圈圈出，其他x射線源以黃色圓圈圈出，人馬座A在中心以藍色圓圈表示。圖片：NASA/CXC/Columbia University/C. Hailey et al.

利用錢德拉數據，研究小組搜索了包含在人馬座A* (Sgr A*)附近黑洞的x射線雙星。要回顧一下，黑洞在可見光下是無法探測到的。然而黑洞(或中子星)被鎖定在與恆星緊密的軌道上，將會從它們的同伴那裡拉出物質，然後這些物質會被吸到黑洞的圓盤上，並加熱到幾百萬度。這將導致x射線的釋放，然後被檢測到，因此這些系統被稱為「x射線雙星」。

利用錢德拉的數據，研究小組找到了在人馬座A* (Sgr A*)大約12光年範圍內的x射線源。然後他們選擇了與已知x射線雙星相似的放射源，後者發射出相對大量的低能量x射線。使用這種方法，在大約3光年的人馬座A* (Sgr A*)中發現了14個x射線雙星，所有這些都包含了恆星質量的黑洞(在太陽質量的5到30倍之間)。

之前的研究已經確定了其中的兩個來源，並從分析中剔除，而剩下12個(在上圖中用紅色圓圈表示)是新發現的。據信，相對大量的高能x射線(用黃色標示)是含有白矮星的雙星。Hailey和他的同事們得出結論，大多數的x射線雙星很可能含有黑洞，這是基於它們的可變性，以及它們在幾年時間裡的x射線輻射與包含中子星的雙星所期望的不同。

黑洞雙星的概念圖，由黑洞虹吸物質構成。圖片：ESO/L. Calada

鑒於只有含有黑洞的最亮x射線雙星可能會在人馬座A* (Sgr A*)附近探測到(考慮到它與地球的距離)，Hailey和他的同事們得出的結論是，這一發現意味著有更多的存在。根據估計，在人馬座A* (Sgr A*)周圍有至少300個恆星質量的黑洞。這些發現證實了過去星系中恆星動力學的理論研究。

根據這些研究，大量的恆星質量黑洞(多達20000個)可能會在數百萬年的時間裡向內漂移，並聚集在一個黑洞周圍。然而，Hailey和他的同事最近進行的分析是第一個觀測證據，發現黑洞聚集在人馬座A* (Sgr A*)附近。發現的x射線的釋放還有其他的解釋。這包括他們觀測到的12個來源中有一半是毫秒脈衝星——非常快的旋轉中子星，具有很強的磁場。

然而，基於他們的觀察，海利和他的團隊強烈支持黑洞的解釋。後續研究由Aleksey Generozov et al。哥倫比亞大學——名為「黑洞的過多的x射線雙星星系中心從潮汐捕獲」——表示可能有多達10000到40000個銀河系中心黑洞雙星。根據這項研究，這些雙星是被黑洞捕獲同伴的結果。除了揭示銀河系中恆星的動力學特性外，這項研究還對引力波(GW)研究的新興領域產生了影響。

合併的雙黑洞概念圖，圖片：LIGO/A. Simonnet.

從本質上講，通過知道星系中心有多少個黑洞(它們會周期性地相互融合)，天文學家將能夠更好地預測有多少引力波事件與它們有關。從這一點上，天文學家可以建立預測模型，了解引力波(GW)事件的發生時間和方式，以及他們在星系演化過程中可能扮演的角色。下一代儀器——如詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)和歐空局的高能天體物理學高級望遠鏡——天文學家將能夠精確地確定在我們的星系中心附近有多少個黑洞。

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：NASA

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