缺失的環(huán)節(jié)——中等質(zhì)量黑洞是否存在？哈勃望遠(yuǎn)鏡找到了可靠的證據(jù)。

天文學(xué)家已經(jīng)找到了一場宇宙謀殺案的罪魁禍?zhǔn)椎淖罴炎C據(jù)：一個(gè)“中等質(zhì)量”的黑洞。它因?yàn)樗毫蚜艘活w靠的太近的任性的恒星而暴露了自己的存在。

這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約是太陽的50,000倍，小于位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞（太陽質(zhì)量的一百萬或者十億倍），但是大于由于大質(zhì)量恒星坍塌形成的恒星質(zhì)量黑洞。

中等質(zhì)量黑洞是黑洞演化中長期尋找的一個(gè)“缺失的環(huán)節(jié)”。盡管還有幾個(gè)中等質(zhì)量黑洞候選，研究人員認(rèn)為，這些最新的觀測結(jié)果是迄今為止宇宙中存在中等大小黑洞最強(qiáng)有力的證據(jù)。

通過兩個(gè)X射線天文臺(tái)和NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡敏銳的視野，我們確定了這只宇宙巨獸的存在。

“中等質(zhì)量黑洞是非常難以捉摸的物體，所以仔細(xì)考慮并排除候選天體的其他解釋非常重要的，這就是哈勃望遠(yuǎn)鏡允許我們對我們的候選所做的，”來自新罕布什爾大學(xué)的林大成（音譯）說，他是這項(xiàng)研究的首席研究員。研究結(jié)果發(fā)布在2020年3月31日的《天體物理學(xué)快報(bào)》上。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)的故事像福爾摩斯系列小說，有為了抓住罪犯而一步一步仔細(xì)地立案調(diào)查的過程。

林大成和他的團(tuán)隊(duì)用哈勃望遠(yuǎn)鏡來追蹤NASA的錢德拉X射線天文臺(tái)和ESA（歐洲空間局）的多鏡面X射線空間望遠(yuǎn)鏡（XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡）的線索。在2006年，這些衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)有力的X射線耀斑，但是他們不能確定它源于我們星系的內(nèi)部還是外部。研究人員將其歸因于一顆接近引力強(qiáng)大的致密物體(如黑洞)后被撕裂的恒星。

令人感到驚訝的是，這個(gè)被稱作3XMM J215022.4?055108的X射線源，并不處在大質(zhì)量黑洞通常位于的位置：星系的中心。這使得中等質(zhì)量黑洞的嫌疑增加了，但首先必須排除x射線耀斑的另一個(gè)可能來源:我們銀河系中的一顆被加熱到非常高的溫度后冷卻的中子星。

哈勃望遠(yuǎn)鏡定位了X射線源的精確位置。深空高分辨率的圖片提供了X射線并非產(chǎn)生于我們星系中的獨(dú)立源，而是產(chǎn)生于一顆遙遠(yuǎn)的，位于另一個(gè)星系邊緣的高密度星團(tuán)——就是那種天文學(xué)家期待能找到中等質(zhì)量黑洞類型的星系。之前哈勃望遠(yuǎn)鏡的研究已經(jīng)證明了星系中心黑洞的質(zhì)量與宿主星系（譯注：宿主星系指類星體寄寓于其中的星系。[1]）的中心核球（譯注：星系核球指星系中心恒星密集的橢球狀區(qū)域，典型尺度為幾千光年，主要成分是星族II天體。星系核位于其中央。[2]）成正比。換句話說，星系的質(zhì)量越大，黑洞的質(zhì)量就越大。

因此，3XMM J215022.4?055108位于的星團(tuán)可能是一個(gè)低質(zhì)量矮星系的被剝離的核心，該星系由于與當(dāng)前較大的宿主星系的密切相互作用而受到引力和潮汐的干擾。

中等質(zhì)量黑洞異乎尋常地難以尋找，這是因?yàn)樗麄儽瘸筚|(zhì)量黑洞更小而，更不活躍；它們沒有充足的燃料來源，也沒有強(qiáng)大的引力吸引恒星和其他能產(chǎn)生作為指示的X射線的宇宙物質(zhì)。天文學(xué)家需要抓住正在大快朵頤恒星的中等質(zhì)量黑洞。林大成和他的同事在XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)庫里到處搜尋，在成百上千條觀測記錄里尋找一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的候選。

“恒星碎片發(fā)出的X射線使天文學(xué)家估測黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于50,000個(gè)太陽。中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量的估測基于X射線的光度和譜形。這比以前對IMBH候選者單獨(dú)使用x射線光度要可靠得多。”林大成說，“我們之所以可以使用光譜匹配來估測我們中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，是因?yàn)樗墓庾V演化表明它一直處于熱光譜狀態(tài)，這種狀態(tài)在吸積性恒星質(zhì)量黑洞中很常見，也很容易理解?！?/p>

這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)不是第一次被認(rèn)為是一個(gè)可能中等質(zhì)量黑洞候選了。在2009年，哈勃望遠(yuǎn)鏡與NASA的雨燕天文臺(tái)和ESA的XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡確定了被認(rèn)為是中等質(zhì)量黑洞的東西——位于靠近ESO243-49星系邊緣的HLX1。它也位于一個(gè)年輕的、大質(zhì)量的藍(lán)色星團(tuán)的中心，這個(gè)星團(tuán)可能是一個(gè)被剝離的矮星系核心。X射線來自黑洞周圍的熱吸積盤。“主要的區(qū)別在于我們的目標(biāo)撕裂了一顆恒星，具有作為一個(gè)較大黑洞的強(qiáng)有力的證據(jù)，而不是如人們擔(dān)心之前的候選黑洞，包括HLX-1那樣，是恒星質(zhì)量黑洞?！绷终f。

找到這顆中等質(zhì)量黑洞打開了尋找黑暗中尚未被搜索到的潛伏著的黑洞可能性的大門，等待著一顆靠得太近的恒星將它們的存在暴露出去。林計(jì)劃用已經(jīng)被她的團(tuán)隊(duì)證實(shí)有效的方法，繼續(xù)他細(xì)致的偵查工作。很多問題尚待回答。中等質(zhì)量黑洞會(huì)長成超大質(zhì)量黑洞嗎？中等質(zhì)量黑洞從何而來？高密度星團(tuán)是它們最愛的家園嗎？

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是NASA和ESA（歐洲空間局）的國際合作項(xiàng)目。NASA位于馬里蘭州，格林貝爾的戈達(dá)德航天中心控制著這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。位于馬里蘭州巴爾的摩市的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所(STScI)負(fù)責(zé)哈勃望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)操作。太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所是由位于華盛頓特區(qū)的大學(xué)天文學(xué)研究協(xié)會(huì)為NASA運(yùn)作的。

橫幅圖片:這幅插圖描繪了一場正在進(jìn)行的宇宙謀殺。一顆任性的恒星正被一個(gè)數(shù)萬倍太陽質(zhì)量黑洞的強(qiáng)大引力撕裂。恒星殘骸在黑洞周圍形成了一個(gè)吸積盤。過熱氣體盤發(fā)出的x射線耀斑提醒了天文學(xué)家黑洞的位置;否則，它就不為人知地潛伏在黑暗中。這個(gè)難以捉摸的物體被歸類為中等質(zhì)量黑洞(IMBH)，因?yàn)樗馁|(zhì)量比位于在星系中心的巨型黑洞要小得多。IMBHs大多是靜止的，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)吸收那么多的物質(zhì)，而且很難找到。哈勃的觀測提供了證據(jù)，證明IMBH位于一個(gè)稠密的星團(tuán)中。星團(tuán)本身可能是矮星系被剝離的核心。來源:NASA, ESA和D. Player (STScI)

這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的圖像確定了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的位置，它的質(zhì)量是太陽的50000倍(這使得它比在星系中心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞要小得多)。黑洞名為3XMM J215022.4?055108，用白色圓圈表示。

這種難以捉摸的黑洞類型首次被發(fā)現(xiàn)是在恒星被黑洞捕獲并摧毀時(shí)由熱氣體發(fā)射的x射線爆發(fā)中。哈勃望遠(yuǎn)鏡在可見光下精確定位了黑洞的位置。哈勃的深空高分辨率圖像顯示，這個(gè)黑洞位于一個(gè)遠(yuǎn)離我們銀河系的高密度星團(tuán)中。星團(tuán)位于圖像中心的星系附近。圖像周圍分布著看起來小得多的背景星，包括位于前景中央星系上方的一個(gè)正面漩渦星系。這張照片是用哈勃高級巡天照相機(jī)拍攝的。

BY: Rob Garner

FY: 王蘊(yùn)菁

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