微小的星系揭示超大质量黑洞的秘密

矮星系不应该被假设有大黑洞。它们令人惊讶的发现已经揭示了关于宇宙的最大的黑洞怎样可能已经形成的线索。

ASTROPHYSICS

March 14, 2022

天文学家在这些矮星系中发现了隐藏的黑洞的证据等等。Legacy Surveys / unWISE / NASA/JPL-Caltech / D. Lang (Perimeter Institute)

2008年，玛尔塔·沃伦特里（Marta Volonteri）帮助发展了一个激进的建议：天文学家应该为巨大的黑洞搜索最小的星系------重达许多数千个太阳质量的笨重的庞然大物。她究因了如果他们能发现它们，这些天体可以教我们宇宙中第一批黑洞是怎样形成的。

唯一的问题是，大黑洞被假设不应该在小星系中存在。虾状的"矮"星系似乎缺乏需要将足够质量打包进一个黑洞中的引力肌肉。对于许多研究人员，这听起来好像沃伦特里和她的合作者正在提出天体物理学等同于在浴缸里发现一只支龙。

现在在巴黎CNRS天体物理研究所工作的沃伦特里说，"矮星系中的黑洞是不可想象的"。

然后天文学家开始发现这些野兽。近年来，强大的望远镜和创新的观测策略已经允许研究人员来更仔细的精查矮星系。当他们这样做时黑洞蹦出来。这些发现突显天体物理学家关于居住在宇宙中的黑洞类型知道多么少，以及理论家在解释它们都来自哪里时面临的挑战。一个越来越准确的数字可能帮助最终解释宇宙的最早和最大的黑洞。

达特茅斯学院的天文学家瑞安·希科克斯说，"人们保持发现更多的它们"，他最近帮助他自己定位了一个。"在这些星系中可能有比我们使用传统技术发现的要多得多这些东西"。

没在映射上

矮星系是相对未画出的天文领域。它们比银河系更轻10到100倍，缺乏引力莫克西来把它们自己拉成适合理论的整齐的圆形形状。它们也是块的、昏暗的，通常很难详细研究。沃伦特里说"它们是完全一团糟，"。

但是，这些微小的恒星纠缠宿主更大星系已经忘记的秘密。研究人员相信，像银河系这样的星系是超过100亿年混搭的拼凑产物，其中星系反复撞击进它们的邻居，每次都生长更大。矮星系仍然小，要么是因为它们已经躲过了与其他星系的遭遇，要么是因为它们相对较晚的最近形成，还没有很多来碰撞的机会。耶鲁大学天体物理学家普利亚姆瓦达那他拉简说，"它们是宇宙中更安静的地方"，他与沃伦特里一起进行了这项研究（他目前是该杂志顾问委员会的成员）。

蒙大拿州立大学的天体物理学家艾米·赖因斯（Amy Reines）在她搜索的大约25000个矮星系中发现了151个黑洞。Adrian Sanchez Gonzalez, Montana State University Communications

通过这种方式，矮星系类似于最早的星系。回到宇宙的第一个十亿年，当时星系刚刚开始，它们锻造了第一批恒星和第一个黑洞。随着时间，这些星系中的许多星系碰撞了，它们的黑洞合并了。通过合并和吞噬物质的混合，第一批"种子"黑洞成长为拥有数十亿太阳质量的怪物，似乎坐在当今每个大型星系的中心。

但矮星系没有体验过过很多合并，而且往往有更少的物质来喂养它们的黑洞。这些独特的条件更有可能将黑洞冻结在相对未发展的种子一样状态，沃伦特里和那他拉简推理了。也就是说，是否矮星系有过大黑洞。

天文学家通常通过令人眩目的它们发出的明亮喷流发现主动吃食的大型星系中心活跃的黑洞，这些喷流淹没了周围的恒星。但在沃伦特里和那他拉简的提议提出时，研究人员还没有在矮星系中看到这种进食狂热的明显迹象。许多天文学家质疑这些天体的存在。

然后在2013年，研究人员发现了母矿脉。

现在在蒙大拿州立大学工作的天体物理学家艾米·赖因斯（领导了一个来自斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）数据的分析，寻找典型的盛宴黑洞的可见光的高能模式。在她的算法搜索的25000个左右的矮星系中，有151个显示出宿主数十万个太阳质量的不断增长的黑洞的迹象。它们是未经证实的候选者，但它们的数量几乎没有留下任何疑问的余地：矮星系可以雕刻巨大的黑洞。

突然的，沃伦特里的提议似乎不那么激进了。她回忆道"我说，'谢谢，艾米。你让我觉得我是一个究因的人'"。

一个新颖的光芒

现在天文学家已经提出新的来找到更多这些隐藏的巨人的方法。

与蒙大拿州立大学的莱因斯合作的马洛里·莫利纳是一位天文学家，他纯粹靠运气偶然发现了一种新技术。在试图从一个无线电勘察确认莱因斯的一个候选时，莫利纳注意到了一种特殊的橙色辉光。这个辐射是铁原子的一个受到如此严重的打击以至于它们失去了九个电子的告密迹象------所谓的"Fe X"（或"铁10"）线。研究人员检查了另一个候选并发现了相同的特征。虽然这两个天体都没有传统的一个进食黑洞的外观，但很难想象还有什么能对铁原子做如此的暴力。

莫利纳编写了代码来搜索由斯隆数字巡天观测到的大约46000个矮星系，发现了81个星系辉光着被破坏的铁的微弱橙色。莫利纳和他们的同事争论在这些矮星系中，一个巨大的黑洞正在加热它周围的气体，足以从它们的原子爆炸电子。他们于11月在《天体物理学杂志》上发表了他们的发现。

蒙大拿州立大学的天文学家马洛里·莫利纳（Mallory Molina）发现了一种通过寻找铁原子的告密信号来寻找隐藏黑洞的新方法。Adrian Sanchez Gonzalez, Montana State University Communications

这些黑洞占据超越先前勘察的触及的星系，这些勘察相对小星星耀眼的辐射挣扎来挑出活跃黑洞的微光。（莫利纳将这种努力比作在聚光灯照射在你的眼睛时寻找手电筒）。Fe X线的独特颜色使大黑洞相对背景蹦出，表明拥有大量恒星幼儿园的更小矮星也宿主巨大的黑洞。

沃伦特里说，"我很高兴看到有新的方法来发现黑洞"，他没有参与这项研究。"它们是如此微弱。这就是为什么它是如此绝望的"。

太空望远镜也帮助揭示隐藏的黑洞。去年，希科克斯和他的学生杰克·帕克重新检查了莱因斯2013年调查中八个相对接近的边缘例子。他们将美国宇航局的太空钱德拉X射线天文台对准每个矮星系约四个小时。八个星系中的一个在它的中心有一个比低能X射线更亮的高能X射线斑点，这暗示辐射正在穿透密集的气体云 ------正是那种可能完全的掩盖更遥远星系中黑洞的云。他们在一月份的美国天文学会会议上描述了他们的研究结果，并正在准备出版。

虽然这些结果增加许多矮星系拥有大质量黑洞的机会，但拥有它们的比例仍然被激烈的争论。在2008年，天文学家会说这个分数接近于零。真实数字取决于正在主动进食（因此闪耀）的黑洞的百分比以及被气体和尘埃笼罩的明亮黑洞的百分比。如果这些百分比与在它们的超大质量兄弟姐妹中观察到的百分比相似（目前这是一个很大的假设），大质量黑洞可以居住在大多数矮星系中。

希科克斯说，"认为它们不那么常见的论点可能正在开始瓦解，"。

第一批黑洞

当沃伦特里在2008年首次敦促天文学家弄清楚矮星系黑洞有多常见时，她之这样做了是因为答案可能为一个看似不可能的发现帮助区分两种解释之间。

几年前，斯隆数字巡天已经看到了数十亿个可以追溯回到宇宙的第一个十亿年的太阳质量的黑洞。天文学家不能够弄清楚它们怎样变得如此之快变得如此之重。这就像在一个仍然闷热的火山岛上遇到一片高耸的红杉一样。要么它们以惊人的快向上长，要么它们已经部分的长成。

Samuel Velasco/Quanta Magazine

这一发现激发了对这两种可能性的研究。一些天体物理学家发展了额外气体环境的理论，这些理论将允许小种子黑洞------第一批恒星的尸体------来体验持续的生长突增。其他人则详细介绍了其中特殊情况诱使巨大的气体球跳过恒星并直接的坍塌成一颗大种子，作为一个已经重达数千恒星质量的黑洞开始生命。

大种子理论越来越受欢迎，部分原因是矮星系黑洞似乎如此罕见，这支持了需要一个特殊事件来跳跃开始的想法。现在，一些天文学家正在好奇是否新黑洞的涌现部分的复活小种子的概念。

莫利纳说，"这在某种程度上意味着直接坍塌可能不是第一代黑洞怎样形成了的最终全部终结"。

但最近的工作已经复杂了这个辩论。那他拉简已经发现，宇宙在它的整个历史中都可以制造大大小小的种子。尽管如此，她称这些新观测结果"超级有帮助"，可以发现形成理论将需要考虑的被忽视的黑洞群。

她说，"我们有一个黑洞的不完整的普查， X射线东西在帮助我们发现模糊的群中真的有用的"。

下一块拼图将来自12月发射的詹姆斯韦伯太空望远镜。该仪器敏锐的视力应该从过去更深处挑出黑洞的辐射，赋予天文学家一个在第一个黑洞种子形成后不久早期宇宙中发生的事情的更直接观望------这是一些研究人员在整个职业生涯中一直在期待的观点。

2003年，当沃伦特里完成她的黑洞形成理论博士学位时，她的顾问告诉她，"很快詹姆斯韦伯望远镜就会飞起来，我们能证明你的理论是对还是错"，沃伦特里回忆道，"从那以后我一直充满希望"。

https://www.quantamagazine.org/tiny-galaxies-reveal-secrets-of-supermassive-black-holes-20220314/