天文学家发现隐藏大质量黑洞宝库

矮星系中新发现的黑洞揭示了我们银河系超大质量黑洞的起源。由UNC-Chapel Hill物理和天文学系的天文学家领导的一个研究小组发现了一个以前被忽视的矮星系中大质量黑洞的宝库。这些新发现的黑洞让人们看到了我们银河系中心的超大质量黑洞的生命故事。

隐藏在众目睽睽之下

作为一个巨大的螺旋星系，银河系被认为是由许多较小的矮星系合并而成。如在南部天空中看到的麦哲伦云是矮星系，它们将合并到银河系中。每一个落入的矮星都可能带来一个中央大质量黑洞，其质量是我们太阳的几万或几十万倍，并可能注定要被银河系的中央超大质量黑洞吞噬。

但矮星系包含一个大质量黑洞的频率是未知的，这给我们对黑洞和星系如何共同成长的理解留下了一个关键的空白。2022年5月24日发表在《Astrophysical Journal》上的新研究有助于填补这一空白，它揭示了大质量黑洞在矮星系中比以前想象的要常见许多倍。

“这个结果真的让我大吃一惊，因为这些黑洞以前是隐藏在众目睽睽之下的，”该研究的论文第一作者、物理与天文学系的博士生Mugdha Polimera说道。

发出混合信息

黑洞通常是在它们通过吞噬周围的气体和星尘而积极生长时被探测到的，这使得它们发出强烈的光芒。

Polimera在物理与天文学系的博士生导师、该研究的论文共同作者Sheila Kannappan教授将黑洞比作萤火虫。他说道：”就像萤火虫一样，我们只有在黑洞被点亮的时候才能看到它们–当它们在成长的时候–而被点亮的黑洞给了我们一个线索，告诉我们有多少我们看不到的黑洞。”

问题是，当成长中的黑洞发出独特的高能辐射时，年轻的新生恒星也会发光。传统上，天文学家使用诊断测试将成长中的黑洞跟新的恒星形成区分开来，这些测试依赖于每个星系的可见光在像彩虹一样散开的光谱中的详细特征。

当跟Kannappan合作的本科生试图将这些传统测试应用于星系调查数据时，发现之路开始了。该小组意识到，一些星系发出了混合的信息–两项测试表明黑洞在不断增长，但第三项测试则表明只有恒星形成。

Kannappan表示：“以前的工作只是从统计分析中拒绝了像这些模棱两可的情况，但我有一种预感，它们可能是矮星系中未被发现的黑洞。她怀疑第三个有时是矛盾的测试比另外两个对矮星的典型特性更敏感：它们的元素组成简单（主要是来自大爆炸的原始氢和氦），以及它们形成新星的速度高。”

研究的论文共同作者、伊隆大学副教授Chris Richardson通过理论模拟证实了混合信息测试结果跟理论预测的原始成分、高度形成恒星的矮星系包含一个不断增长的大质量黑洞的情况完全一致。“我的模拟结果跟Kannappan小组的发现相吻合，这让我很兴奋地去探索对星系如何演变的影响。”

对成长中的黑洞进行普查

Polimera接受了构建一个新成长中黑洞普查的挑战，并将关注点放在了传统和混合信息类型。她获得了已发表的可见光光谱特征的测量结果，以此来测试在Kannappan领导的两个调查、RESOLVE和ECO中发现的数千个星系的黑洞。这些调查包括紫外线和无线电数据，是研究恒星形成的理想选择，而且它们有一个不寻常的设计。大多数天文调查选择的样本有利于大的和明亮的星系，而RESOLVE和ECO是对当今宇宙的巨大体积的完整盘点，其中矮小的星系非常多。

Polimera说道：“对我来说，重要的是我们的黑洞搜索不偏向于矮星系。但是在查看整个普查时，我发现新类型的成长型黑洞几乎总是出现在矮星中。当我第一次看到这些数字时，我被吓了一跳。”

据悉，她在矮星系中发现的所有成长中的黑洞中有80%以上属于新类型。

结果似乎太好。Polimera说道：“我们都很紧张。我脑海中出现的第一个问题是，我们是否错过了一种方法，仅仅是极端的星体形成就可以解释这些星系？” 据悉，她领导了一个详尽的搜索以寻找涉及恒星形成、建模不确定性或奇异天体物理学的替代解释。最后，研究小组被迫得出结论–新发现的黑洞是真实的。

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