深化天文学之谜:寻找失踪的巨大黑洞

黑洞吸积盘插图

黑洞插图。资料来源:奥洛·西蒙内特和美国宇航局戈达德太空飞行中心

  • 天文学家正在寻找超级分类的迹象黑洞在银河系集群中abell 2261。
  • 几乎所有的大型星系都包含中心的黑洞,而在Abell 2261中间的星系预计包含一个特别大的黑洞。
  • 科学家们认为,这个星系过去曾与另一个星系合并,这可能导致一个新形成的更大的黑洞被喷射出去。
  • 尽管用Chandra和其他望远镜进行了仔细的搜索,但天文学家尚不知道这个巨大的黑洞发生了什么。

围绕着一个超大质量黑洞下落的谜团已经加深。

尽管搜索美国宇航局'Chandra X射线天文台和哈勃太空望远镜,天文学家没有证据表明,距离遥远的黑洞重量在30亿到100亿倍之间的阳光是任何地方。

这缺少的黑洞应该是银河系集群中心的巨大的星系,位于地球上的2261年。Abell 2261的该合成图像包含来自Hubble的光学数据和底座望远镜,显示在群集中和背景中的星系,以及显示跨越群集的热气(彩色粉红色)的Chandra X射线数据。图像的中间显示了集群中心的大型椭圆星系。

宇宙中几乎每一个大型银河系都包含一个叠加的黑洞在他们的中心,质量是云杉的数百万或数十亿次。由于中央黑洞的质量通常具有星系本身的质量,天文学家预计Abell 2261中心的星系将含有超大的黑洞,其致望于宇宙中一些最大的已知黑洞的HEFFE。

Abell 2261光学红外X射线复合材料

这张Abell 2261的图像包含来自钱德拉的x射线数据,显示了星系团中弥漫着热气,以及哈勃和斯巴鲁望远镜的光学数据,显示了星系团中和背景中的星系。天文学家使用这些望远镜搜索图像中心的星系,寻找黑洞存在的证据,该黑洞的重量在太阳的3到1000亿倍之间,它预计会在那里。没有发现这个黑洞的迹象,加深了这个系统正在发生什么的谜团。资料来源:x射线:NASA/CXC/密歇根大学/K。Gultekin;光学:NASA/STScI和NAOJ/斯巴鲁;红外线:NSF / NOAO / KPNO

利用钱德拉在1999年和2004年获得的数据,天文学家们已经在Abell 2261大中心星系的中心寻找超大质量黑洞的迹象。他们寻找那些在向黑洞坠落并产生x射线时过热的物质,但没有发现这样的来源。

现在,在2018年获得的新的Chandra观察,由Kayhan Gultekin从密歇根州的密歇根大学领导的团队进行了深入搜索了星系中心的黑洞。他们还考虑了一种替代解释,其中黑洞被从主机星系的中心喷射。这种暴力事件可能是由两个星系合并形成所观察到的星系,伴随着每个星系的中央黑洞,合并形成一个巨大的黑洞。

当黑洞合并时,它们会在时空中产生涟漪引力波。如果这种事件产生的大量引力波在一个方向上比另一个方向更强,则该理论预测新的,更巨大的黑洞将在相反方向上从星系的中心发送。这被称为重塑黑洞。

天文学家还没有找到黑洞反冲的确切证据,也不知道超大质量黑洞是否会相互靠近,产生引力波并合并;到目前为止,天文学家只验证了小得多的黑洞的合并。对反冲超大质量黑洞的探测将鼓励科学家使用和开发天文台来寻找合并超大质量黑洞产生的引力波。

Abell 2261中心的星系是一个寻找反冲黑洞的绝佳星团,因为有两个间接的迹象表明两个巨大的黑洞可能发生了合并。首先,哈勃和斯巴鲁光学观测的数据揭示了银河系核心——中央区域恒星在星系的数量在给定的星系在或接近最大值,这比预计的还要大得多的一个星系的大小。第二个迹象是,星系中最密集的恒星距离星系中心超过2000光年,这是惊人的遥远。

这些特征是由来自太空望远镜科学研究所(STScI)的Marc Postman和他的合作者在早期哈勃和斯巴鲁的图像中发现的,并引导他们提出了Abell 2261黑洞合并的想法。在合并过程中,每个星系中的超大质量黑洞向新合并星系的中心下沉。如果它们被引力束缚在一起,它们的轨道开始收缩,黑洞预计会与周围的恒星相互作用,并将它们驱逐出星系中心。这就可以解释Abell 2261的大核心了。恒星偏离中心的聚集也可能是由一个剧烈的事件引起的,例如两个特大质量黑洞的合并和随后产生的单个更大黑洞的反冲。

尽管有黑洞合并发生的线索,钱德拉和哈勃的数据都没有显示黑洞本身存在的证据。古特金和他的大多数合著者,由西弗吉尼亚大学的莎拉·伯克-斯波拉领导,之前曾使用哈勃望远镜寻找可能被一个收缩的黑洞带走的一团恒星。他们研究了星系中心附近的三个团块,并检查这些团块中恒星的运动是否高到足以表明它们包含一个100亿倍太阳质量的黑洞。在其中两个星团中没有发现黑洞的明确证据,而另一个星团中的恒星太过暗淡,无法得出有用的结论。

他们还研究了与NSF的卡尔G.詹姆斯基非常大的阵列观察Abell 2261。在银河系中心附近检测到的无线电发射显示,证据表明,超大分料的黑洞活动发生了5000万年前,但不表明星系的中心目前包含这样的黑洞。

abell 2261光学收音机

来源:NASA/CXC, NASA/STScI, NAOJ/斯巴鲁,NSF/NRAO/VLA

然后,他们转向Chandra寻找已经过热并产生X射线的材料,因为它朝向黑洞。虽然Chandra数据确实揭示了最浓度的热气体不在星系的中心,但他们没有透露生长超大的黑洞的任何可能的X射线签名 - 没有在簇的中心找到X射线源,或在任何星星中,或在无线电发射的场地。

作者的结论是,任何这些位置都没有黑洞,或者它在太慢地将材料拉过以产生可检测的X射线信号。

因此,这个巨大黑洞的位置之谜仍在继续。虽然这次搜索没有成功,但天文学家们仍有希望在未来寻找这个超大质量黑洞。一旦启动,詹姆斯·韦伯太空望远镜也许能够揭示星系中心的超大质量黑洞或恒星团的存在。如果韦伯无法找到黑洞,那么最好的解释是,黑洞已经向银河系中心很好的后退了。

一篇描述这些结果的论文发表在《美国天文学会杂志》上。Gultekin的合著者是Sarah Burke-Spolaor;Tod R. Lauer(美国亚利桑那州图森市国家光学红外天文研究实验室);T. Joseph W. Lazio and Leonidas A. Moustakas(喷气推进实验室,加州理工学院,帕萨迪纳,加州);Patrick Ogle和Marc Postman(马里兰巴尔的摩太空望远镜科学研究所)。

参考:2021年1月5日,Kayhan Gultekin, Sarah Burke-Spolaor, todd R. Lauer, T. Joseph W. Lazio, Leonidas a . Moustakas, Patrick Ogle and Marc Postman的《钱德拉对Abell 2261最亮星系团星系的观测》《天体物理学杂志》上
DOI:10.3847 / 1538-4357 / ABC483

美国宇航局的马歇尔太空飞行中心管理钱德拉项目。史密森天体物理天文台的钱德拉x射线中心控制着马萨诸塞州剑桥的科学和马萨诸塞州伯灵顿的飞行操作。

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