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瑞士科学家发现巨大黑洞:挑战星系形成理论

2020-01-10 10:44:09 | 来源: 饮食

天文学家发现了成长速度远快于宿主星系的黑洞

北京时间7月31日消息,据国外媒体报道,在大多数星系的中心都能发现黑洞的存在,而大部分黑洞的质量与其宿主星系比起来都无足轻重。然而,苏黎世联邦理工学院的科学家发现了一个质量尤其巨大的黑洞,其成长速度显然超过了本身所处的星系。这一现象让天文学家开始质疑以往有关星系与其中心黑洞共同演化的理论。

Benny Trakhtenbrot是苏黎世联邦理工学院天文学研究所的科学家,他和一个天体物理学国际团队正在寻找宇宙初期巨型黑洞的踪迹,所用的设备是位于夏威夷的10米口径凯克望远镜。尽管这是很常规的观测,但Trakhtenbrot和团队成员们在第一次发现这样的黑洞时都感到十分惊奇。他们获得的数据揭示出,在一个遥远的星系(称为CID-947)中,存在着一个巨大的黑洞。由于该星系的光线到达地球需要一段相当长的时间,因此天文学家观测到的是宇宙只有不到20亿岁的情形,这只是宇宙目前年龄的14%(从宇宙大爆炸至今已经过去了约140亿年)。

天文学家对凯克天文台的数据进行分析后发现,CID-947星系的黑洞拥有相当于70亿个太阳的质量,是目前发现的最大黑洞之一。不过,令研究者惊奇的不是黑洞的质量,而是CID-947星系的质量。“观测数据对应的是一个典型星系的质量,” Trakhtenbrot说,“所以,我们看到的是在一个正常大小的星系中,出现了一个超大型的黑洞。” Trakhtenbrot目前是一位博士后研究员,在Macella Carollo教授的河外天体物理学团队中工作。他们的结果实在是太过出乎意料,团队中的两位天文学家不得不各自对星系质量进行了验证。两个人最终得到了相同的结论。该团队的研究结果发表在近期的《科学》(Science)杂志上。

早期宇宙中有什么不同?

大部分星系,包括我们所在的银河系,都在中心处有一个黑洞,其质量可达数十亿个太阳的质量总和。研究共同作者、苏黎世理工学院的Kevin Schawinski教授说:“黑洞是具有极其强大引力的物体,没有任何东西——包括光——能逃脱它们的引力。爱因斯坦的相对论描述了黑洞如何弯曲时空本身。”物质在受到黑洞引力作用时,会获得极大的加速度,并发出特定的高能辐射,这种现象也证实了黑洞的存在。

到目前为止,天文学家的观测已经表明,宿主星系(host galaxy)中包含的恒星数量越大,其中心的黑洞也越大。“这一结果与目前的宇宙是相符的,而这只反映了宇宙近期的情况。” Trakhtenbrot说道。这一联系以及其他证据,使科学家提出了这样的假说:黑洞的成长和恒星的形成是齐头并进,“手拉着手”的。Trakhtenbrot称,这一假说值得商榷,想象一下,这些恒星的形成和黑洞的“补给”都来自一个共同的冷气体池。而且,之前的研究显示,在黑洞成长过程中释放的辐射会控制,甚至中止恒星的形成,因为这些释放的能量会加热气体。然而,最新的研究结果表明,这些过程可能以不同的方式进行,至少在早期宇宙中如此。

恒星继续形成

Trakhtenbrot及其同事所发现的这个遥远的年轻黑洞,质量比其宿主星系小大约10倍。在目前的宇宙中,黑洞的质量通常只能占到宿主星系质量的0.2%到0.5%。“这意味着该黑洞的成长效率比它所处的星系高得多——否定了预言它们‘手拉着手’共同发展的模型”,苏黎世理工学院的研究人员解释道。

研究人员对观测结果的分析还显示,尽管黑洞已经到达成长期的末段,但恒星还是在不断形成。与以往假说不同的是,黑洞驱使的能量和气体流并没有阻止恒星的形成。

CID-947星系在未来还将继续成长,而黑洞质量与恒星质量之间仍然有着重要的联系。研究人员认为,CID-947星系可能会成为目前宇宙中最极端、最大型的星系系统的前体,就如同距离银河系约2.2亿光年的英仙座NGC 1277星系。他们希望利用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜阵列(ALMA)的观测,获得更多有关黑洞与宿主星系的关联信息。

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