自20世紀(jì)70年代以來，天文學(xué)家就已經(jīng)了解到一個(gè)超大質(zhì)量黑洞(SMBH)位于銀河系中心。這個(gè)黑洞位于人馬座和天蝎座之間，距離地球約26000光年，被稱為人馬座A* (Sgr A*)。這個(gè)天體的直徑為4400萬公里，大約是太陽的4百萬倍，產(chǎn)生了巨大的引力。

2013年9月14日天文學(xué)家們?cè)阢y河系中心的超大質(zhì)量黑洞中發(fā)現(xiàn)了有史以來最強(qiáng)大x射線耀斑，即人馬座A* (Sgr A*)。圖片：NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.

從那時(shí)起，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)巨大星系的核心都有超大質(zhì)量黑洞（SMBH），這就是活躍星系核(AGN)與不活躍星系核(AGN)的區(qū)別。但是，由于最近一項(xiàng)使用美國宇航局錢德拉x射線天文臺(tái)的研究調(diào)查，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)位于銀河系中心附近黑洞的證據(jù)。

研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然》期刊上，標(biāo)題是“銀河系中央一個(gè)靜止x射線雙星的密度點(diǎn)”。這項(xiàng)研究由哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)教授、哥倫比亞大學(xué)天體物理實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合主任查克·海利領(lǐng)導(dǎo)，他還包括在智利的Pontificia大學(xué)和哈佛-史密森天體物理中心的成員。

銀河系中心x射線雙星用紅色圓圈圈出，其他x射線源以黃色圓圈圈出，人馬座A在中心以藍(lán)色圓圈表示。圖片：NASA/CXC/Columbia University/C. Hailey et al.

利用錢德拉數(shù)據(jù)，研究小組搜索了包含在人馬座A* (Sgr A*)附近黑洞的x射線雙星。要回顧一下，黑洞在可見光下是無法探測(cè)到的。然而黑洞(或中子星)被鎖定在與恒星緊密的軌道上，將會(huì)從它們的同伴那里拉出物質(zhì)，然后這些物質(zhì)會(huì)被吸到黑洞的圓盤上，并加熱到幾百萬度。這將導(dǎo)致x射線的釋放，然后被檢測(cè)到，因此這些系統(tǒng)被稱為“x射線雙星”。

利用錢德拉的數(shù)據(jù)，研究小組找到了在人馬座A* (Sgr A*)大約12光年范圍內(nèi)的x射線源。然后他們選擇了與已知x射線雙星相似的放射源，后者發(fā)射出相對(duì)大量的低能量x射線。使用這種方法，在大約3光年的人馬座A* (Sgr A*)中發(fā)現(xiàn)了14個(gè)x射線雙星，所有這些都包含了恒星質(zhì)量的黑洞(在太陽質(zhì)量的5到30倍之間)。

之前的研究已經(jīng)確定了其中的兩個(gè)來源，并從分析中剔除，而剩下12個(gè)(在上圖中用紅色圓圈表示)是新發(fā)現(xiàn)的。據(jù)信，相對(duì)大量的高能x射線(用黃色標(biāo)示)是含有白矮星的雙星。Hailey和他的同事們得出結(jié)論，大多數(shù)的x射線雙星很可能含有黑洞，這是基于它們的可變性，以及它們?cè)趲啄陼r(shí)間里的x射線輻射與包含中子星的雙星所期望的不同。

黑洞雙星的概念圖，由黑洞虹吸物質(zhì)構(gòu)成。圖片：ESO/L. Calada

鑒于只有含有黑洞的最亮x射線雙星可能會(huì)在人馬座A* (Sgr A*)附近探測(cè)到(考慮到它與地球的距離)，Hailey和他的同事們得出的結(jié)論是，這一發(fā)現(xiàn)意味著有更多的存在。根據(jù)估計(jì)，在人馬座A* (Sgr A*)周圍有至少300個(gè)恒星質(zhì)量的黑洞。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了過去星系中恒星動(dòng)力學(xué)的理論研究。

根據(jù)這些研究，大量的恒星質(zhì)量黑洞(多達(dá)20000個(gè))可能會(huì)在數(shù)百萬年的時(shí)間里向內(nèi)漂移，并聚集在一個(gè)黑洞周圍。然而，Hailey和他的同事最近進(jìn)行的分析是第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑洞聚集在人馬座A* (Sgr A*)附近。發(fā)現(xiàn)的x射線的釋放還有其他的解釋。這包括他們觀測(cè)到的12個(gè)來源中有一半是毫秒脈沖星——非常快的旋轉(zhuǎn)中子星，具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)。

然而，基于他們的觀察，海利和他的團(tuán)隊(duì)強(qiáng)烈支持黑洞的解釋。后續(xù)研究由Aleksey Generozov et al。哥倫比亞大學(xué)——名為“黑洞的過多的x射線雙星星系中心從潮汐捕獲”——表示可能有多達(dá)10000到40000個(gè)銀河系中心黑洞雙星。根據(jù)這項(xiàng)研究，這些雙星是被黑洞捕獲同伴的結(jié)果。除了揭示銀河系中恒星的動(dòng)力學(xué)特性外，這項(xiàng)研究還對(duì)引力波(GW)研究的新興領(lǐng)域產(chǎn)生了影響。

合并的雙黑洞概念圖，圖片：LIGO/A. Simonnet.

從本質(zhì)上講，通過知道星系中心有多少個(gè)黑洞(它們會(huì)周期性地相互融合)，天文學(xué)家將能夠更好地預(yù)測(cè)有多少引力波事件與它們有關(guān)。從這一點(diǎn)上，天文學(xué)家可以建立預(yù)測(cè)模型，了解引力波(GW)事件的發(fā)生時(shí)間和方式，以及他們?cè)谛窍笛莼^程中可能扮演的角色。下一代儀器——如詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)和歐空局的高能天體物理學(xué)高級(jí)望遠(yuǎn)鏡——天文學(xué)家將能夠精確地確定在我們的星系中心附近有多少個(gè)黑洞。

博科園-科學(xué)科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：NASA