如果天文學(xué)家想要了解超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，必須從小黑洞開始。事實(shí)上，包括密歇根大學(xué)天文學(xué)家埃琳娜·加洛在內(nèi)的一個(gè)研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在銀河系附近一個(gè)名為NGC 4395的矮星系中心有一個(gè)黑洞，比之前認(rèn)為的要小40倍左右，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然天文學(xué)》上。

目前，天文學(xué)家認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞位于每個(gè)星系的中心，其質(zhì)量與銀河系相當(dāng)，甚至更大，但對(duì)較小星系中的黑洞也很好奇，比如ngc4395。

知道NGC 4395中心黑洞的質(zhì)量并能夠準(zhǔn)確地測(cè)量它，可以幫助天文學(xué)家將這些技術(shù)應(yīng)用于其他黑洞。小星系或矮星系的問題仍然懸而未決：這些星系有黑洞嗎？如果有，它們的規(guī)模是否和超大質(zhì)量黑洞一樣？回答這些問題可能會(huì)幫助我們了解這些巨型黑洞在宇宙初期形成的機(jī)制。為了確定NGC黑洞的質(zhì)量，研究人員使用了混響圖。這項(xiàng)技術(shù)通過監(jiān)測(cè)黑洞周圍的吸積盤釋放出的輻射來測(cè)量質(zhì)量，吸積盤是由黑洞引力所聚集的物質(zhì)質(zhì)量。

當(dāng)輻射從吸積盤向外傳播時(shí)，它會(huì)穿過離黑洞更遠(yuǎn)的另一片物質(zhì)云，這片物質(zhì)云比吸積盤擴(kuò)散得更廣，這個(gè)區(qū)域被稱為寬線區(qū)域。當(dāng)輻射擊中寬線區(qū)域的氣體時(shí)，它會(huì)使其中的原子發(fā)生躍遷。例如，這意味著輻射將電子從氫原子的殼層中撞出，使原子占據(jù)了原子中能量更高的能級(jí)。輻射過后，原子又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。天文學(xué)家可以想象這種轉(zhuǎn)變，它看起來像一道閃光。通過測(cè)量吸積盤輻射到達(dá)寬線區(qū)域并引起這些閃光所需的時(shí)間，天文學(xué)家可以估算出寬線區(qū)域離黑洞有多遠(yuǎn)。

利用這些信息，可以計(jì)算出黑洞的質(zhì)量。這個(gè)距離被認(rèn)為取決于黑洞的質(zhì)量，黑洞越大，距離就越大，從吸積盤發(fā)出的光到達(dá)寬線區(qū)域的時(shí)間也就越長(zhǎng)。利用MDM天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家計(jì)算出，輻射從吸積盤到達(dá)寬線區(qū)域大約需要83分鐘。為了計(jì)算黑洞質(zhì)量，還必須測(cè)量寬線區(qū)域的固有速度，即區(qū)域云在黑洞重力影響下移動(dòng)的速度。為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家用雙子座北望遠(yuǎn)鏡上的GMOS光譜儀拍攝了高質(zhì)量光譜。通過知道這個(gè)數(shù)字，寬線區(qū)域的速度，光速以及所謂的引力常數(shù)，或者引力的測(cè)量。

天文學(xué)家們能夠確定黑洞質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的10000倍——比之前認(rèn)為的輕40倍，這也是通過混響映射發(fā)現(xiàn)的最小黑洞。就矮星系中心黑洞的性質(zhì)而言，矮星系這種狀態(tài)基本上還沒有被探索過。甚至不知道是否每個(gè)星系都有一個(gè)黑洞，這為我們所掌握的黑洞家族增添了一個(gè)新成員。這些信息也可以幫助天文學(xué)家了解黑洞對(duì)星系的形狀影響有多大。一個(gè)叫做黑洞反饋的領(lǐng)域探索了黑洞如何在比引力應(yīng)該達(dá)到的更大尺度上影響宿主星系的性質(zhì)。

那些生活在比黑洞引力主導(dǎo)區(qū)域大數(shù)量級(jí)的恒星，甚至不應(yīng)該知道它們的星系中有一個(gè)黑洞，但它們確實(shí)知道。黑洞以某種方式塑造了它們生活在非常大尺度上的星系，因?yàn)槲覀儗?duì)擁有更小黑洞的更小星系了解不多，所以不知道這是不是真的。通過這種測(cè)量，可以為這種關(guān)系添加更多的信息。這一結(jié)果是由密歇根大學(xué)天文學(xué)與首爾國(guó)立大學(xué)物理與天文學(xué)系合作得出。觀測(cè)是在夏威夷雙子座北天文臺(tái)和亞利桑那州MDM天文臺(tái)進(jìn)行。

博科園｜研究/來自：密歇根大學(xué)

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-019-0790-3

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