令人惊讶的恒星揭示第二个最近的超大质量黑洞

刚好在地球165000光年外，大麦哲伦星云被怀疑宿主一个超大质量黑洞。最后证据已经到来。

STARTS WITH A BANG — MARCH 10, 2025

Ethan Siegel

这幅图显示双星如何与一个超大质量黑洞相互作用来创造一群最终引力上被如此强踢被从它们的家星系甩出的超高速恒星。这个过程应该在任何有一个超大质量黑洞的星系中起作用，包括附近的大麦哲伦星云（LMC），如右图所示。因此，许多源自大麦哲伦星云的超高速恒星现在应该存在于银河系内。Credit: CfA/Melissa Weiss

关键要点

 •这里在银河系的中心，不仅能发现一个质量超过400万个太阳的超大质量黑洞，而且它的事件地平线已经被直接成像。

•然而，在大多数其他星系中，如果超大质量黑洞是活动跃的它们才能被探测到：如果它们就在现在正从一个丰富的正常物质来源吃食在质量上。

•银河系外最近的星系大麦哲伦星云，长期以来一直被怀疑有一个，但我们从未见过任何中心活动。不管怎样，这里是我们如何发现的。

整个宇宙实际上所有的星系宿主一个超大质量黑洞。

最为人所知的超大质量星系梅西耶87它的黑洞首次被事件地平线望远镜成像，让它的相对论喷射和被它们的物质创造的冲击波成像在斯皮策的红外中，在大量照耀的恒星（蓝色）中。梅西耶87是整个室女座星系团中质量最大（也是第二亮）的星系，它是产生这些相对论喷流的中心黑洞。Credit: NASA/JPL-Caltech/IPAC

每当积极进食时它们吐出高能辐射。

这个观望场对应于大约1/15平方度，显示钱德拉深场南部，并代表总共大约2000小时的总观测时间。大约检测到5000个超大质量黑洞，围绕少数天体有少量热气体，出现为是扩散和被延伸的，不是点一样的源。Credit: NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.

在银河系中心这种活动也丰富的。

我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*由于各种物理过程发射X射线。我们在X射线中看到的耀斑表明物质不均匀的、非连续的流向黑洞，导致我们随着时间观察到的耀斑。在X射线中，在这些分辨率下事件地平线是看不到的；“光”纯粹是盘一样的。Credit: NASA/CXC/Amherst College/D.Haggard et al.

然而，在仅约27000光年遥远处，我们的黑洞是更直接可观测到的。

这张20年我们银河系中心附近恒星的时过来自ESO2018年的发表。请注意，这些特征的分辨率和灵敏度朝向尾声是地平尖锐和改进的，所有环绕着我们银河系（不可见的）中心超大质量黑洞。实际上甚至在早期，每个大星系都被认为宿主一个超大质量黑洞，但只有银河系中心的黑洞是离得足够近来看围绕它的单个恒星的运动，从而准确的确定黑洞的质量。类似的技术可以揭示球状星团内的中等质量黑洞，尽管在更长时间尺度上。Credit: ESO/MPE

单个恒星的轨道能被追踪，揭示它的质量。

由事件地平线望远镜（EHT）合作拍摄的两个黑洞的大小比较：M87*位于星系Messier 87的中心，位于银河系中心的射手座A*（Sgr A*）。尽管Messier 87的黑洞因为缓慢的时间变化更容易成像，并且内在的大约1500倍更大，从地球上按角尺寸围绕银河系中心的黑洞是最大的。人工神经网络对于分析和处理用于恢复这些图像的数据是至关重要的。Credit: EHT collaboration (Acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

更最近，它的事件地平线已被在射电光中成像。

当多个质量体在它们自身的相互引力下相互作用时，更小的质量往往被更大踢，在那里它们被敲到更高的轨道或完全被甩，通常造成超高速天体。与此同时，引力上讲剩下的天体最终甚至更被紧密束缚。在遥远的未来，我们银河系的恒星残骸几乎都将以这种方式被甩出，只有少数被吸入中心的超大质量黑洞。Credit: S5 Collaboration/James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

然而，超大质量黑洞也造成一种间接的告密的引力效应：创造失控的超高速恒星。

被GALEX天文台在紫外线中成像的米拉恒星，以比正常速度高得多的速度穿过星际介质：约130公里/秒，比典型速度更快十倍但仍低于银河系的逃逸速度。米拉的轨迹不能被追溯回到银河系中心，这表明一些更小的引力相互作用给了它它的高速踢。然而，除米拉之外的许多恒星已经取得了足够的引力上把它们从我们的银河系解除束缚的速度，，那些的很大一部分可以追溯到银河系中心。Credit: NASA/JPL-Caltech/C. Martin (Caltech)/M. Seibert(OCIW)

超高速恒星于1988年被首次预测：来自与超大质量黑洞相互作用的双星系统。

在2020年的一项结合用盖亚和LAMOST数据的研究中，高达591颗新的超高速恒星被发现，带总数超过1000颗。当所有超高速恒星一起被检查时，科学家们发现其中15%的恒星能有追溯回到银河系中心附近的它们的轨迹起源，这意味着它们从前是与黑洞相互作用的双星系统的一部分，接受值得甩的踢击。另一方面，其中约30%出现有河外起源。Credit: Xiao Kong/China’s National Astronomical Observatories

已经发现许多超高速恒星、星团、多星系统和球状星团也产生它们。

上面显示创造一个超高速逃逸恒星的机制之一：在球状星团一样密集恒星区域中的多体相互作用。随质量更重的天体沉入中心，质量较低的天体能被以巨大的速度踢出，甚至可能将它们完全从星系甩出。Credit: Tomohide Wada/4D2U/NAOJ; Science/AAAS

然而，频繁的回溯这些快速移动的恒星轨迹导致一个超大质量黑洞。

在星系的中心，环绕恒星体验与星系核心的中心超大质量黑洞密切的相互作用。太近通过的恒星，特别是在多星系统中，处在接收超高速踢击并完全从星系甩出的风险中。近年来，其他机制也被证明来创造超高速恒星：也许比经由接收来自星系中心超大质量黑洞的引力踢更丰富。Credit: ESO

这项技术已被应用于半人马座欧米茄球状星团，（可能）揭示一个中等质量的黑洞。

在最新的欧米茄球状星团中心的研究中识别的快速移动恒星的位置，以及右侧的一个识别最靠近中心区域的七颗超高速恒星的特性的放大面板。这是一个中等质量黑洞的极强证据：一个宇宙第一。Credit: M. Häberle et al., Nature, 2024

关于银河系之外最近的星系：大麦哲伦星云（LMC）呢？

大（右上）和小（左下）麦哲伦星云在南方的天空中是可见的，并在大约500年前帮助指导麦哲伦的著名的航行。真实中，LMC位于距离我们约160-165000光年远处，SMC距离我们略更远198000光年远处。这两个星系，以及三角座星系和仙女座星系，构成对肉眼可见的唯一河外天体。Credit: ESO/S. Brunier

刚好在16.5万光年外，它正在迅速形成恒星，但展示没有黑洞活动。

这是大麦哲伦星云（LMC）的图像，它是离我们银河系最近的星系之一，就像用欧空局的盖亚卫星使该使命的第二次数据发布信息观望的一样。该观望已经被由盖亚在每个像素中检测到的辐射总量并结合通过航天器上不同滤波器测量的辐射来生成颜色信息编辑。虽然壮观，但这个星系展示没有源自它的星系中心任何已知波长的辐射活动；没有一个超大质量黑洞的直接签名。Credit: ESA/Gaia/DPAC

然而，在银河系晕中的许多恒星都可以追溯到大麦哲伦星云的核心。

该直方图排序早银河系一角发现的大量超高速恒星，并通过速度和可能的起源评估（和排序）它们。这里发现了两种分明的超高速恒星群：一种起源于银河系中心的人马座A*，另一种指向来自大麦哲伦星云中心的一个起源。这强烈提示后者的恒星群起源于一个超大质量黑洞。Credit: J.J. Han et al., Astrophysical Journal submitted/arXiv:2502.00102, 2025

它们揭示一个约60万个太阳质量的中心黑洞。

这幅图显示从大麦哲伦星云甩出的超高速恒星的起源。当一个双星系统冒险太近一个超大质量黑洞时，强烈的引力将这对恒星撕裂开。一颗恒星被捕获进入围绕黑洞的一个紧密轨道中，而另一颗恒星以极高的速度向外抛出，通常超过每小时数百万英里，变成超高速恒星。这幅图描绘这一过程，线条显示两颗相关受影响恒星的过去轨迹。Credit: CfA/Melissa Weiss

这些“隐形”的超大质量黑洞可能无处不在。

如果大麦哲伦星云（LMC）拥有一个大的大质量黑洞，那么由于与双星系统的引力相互作用，该天体应该对发射许多超高速恒星是负责的。在银河系的晕中那些恒星的重大群应该是可以识别的，导致一个取决于黑洞质量预测的超高速恒星过密。从这些数据，科学家们已经得出大麦哲伦星云中心可能存在一个约60万个太阳质量的黑洞的结论：在一个仅占银河系质量1%的星系中一个质量是我们自身的黑洞质量的15%的黑洞。Credit: J.J. Han et al., Astrophysical Journal submitted/arXiv:2502.00102, 2025

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