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黑洞成長可能與暗物質相關之觀測證據

2012/06/28 | | 標籤:
black_hole_grow_synch photo source:pichp

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在錢卓X射線太空望遠鏡發現了新證據之下,星系中央超大質量黑洞如何生長的既有概念最近受到挑戰。天文學家原先認為,同樣是位在星系中央的超大質量黑洞和核球,其生長速度應該會是同步的:核球越大,黑洞越大。不過,哈佛史密松天文物理中心(CfA)的新研究透過錢卓望遠鏡所提供的資料中卻發現,至少有2個鄰近星系的超大質量黑洞的生長速度,是比星系本身還更快。

位在星系中央的黑洞,通常質量約是核球質量的0.2%,比例不高(核球即為一團「環繞在星系中央周圍附近的恆星密集區域」)。最近錢卓太空望遠鏡在觀測NGC 4342和NGC 4291這兩個鄰近星系時發現,黑洞質量和核球質量在比較下,竟成了預期數值的10至35倍之多。同時,經由錢卓望遠鏡新觀測發現到的這兩個星系的星系暈 – 也就是星系「住處」附近一圈質量相當可觀的暗物質 – 在此也同樣呈現質量超重的情形。

新研究所做成的結論認為,這兩顆超大質量黑洞的演化史和暗物質暈間,可說是關係密切,不過與星系核球的生長速度卻並未同步。如此看來,黑洞和暗物質暈的質量並未超重,星系總質量卻似乎太低。

CfA研究員Akos Bogdan表示,這個新發現讓我們找到目前最為神祕的兩種天文物理現象,也就是 – 黑洞與暗物質,兩者間彼此關連密切的有力證據。

以宇宙的尺度而言,NGC 4342和NGC 4291是兩個鄰近於地球的星系,和我們的距離分別是7,500萬光年和8,500萬光年。在稍早的觀測中,天文學家已知這些宿主星系中存在著一些相對而言質量很大的黑洞,但至於大小不一致該現象的原因卻無法得知。在新觀測結果中,率先從可疑原因名單中被排除的,是一個叫做潮汐剝離的現象。

潮汐剝離這種現象發生的時機是當兩個星系於近距離內相遇時,其中一個星系裡的部分恆星會因重力作用被剝離。當潮汐剝離現象發生時,星系暗物質暈也大多會隨之消失,這是因為暗物質大多延展到遠超過了星系以外很遠的地方,暗物質暈和恆星不同:星系暗物質暈與星系間的關連程度更低,更容易被扯開。

為了要排除潮汐剝離這項可能性,天文學家是使用錢卓X射線太空望遠鏡去搜尋這兩個目標星系周圍那些高熱且輻射出X射線的氣體。由於熱氣體壓力(資料透過X射線影像推估而得)平衡了星系裡所有物質的重力拉力,因此新取得的錢卓資料便能提供暗物質暈的相關資訊。經分析發現,熱氣體在這兩個星系中的分佈範圍相當廣,這意味著兩個星系都有質量大得非比尋常的暗物質暈,因此也幾乎不可能發生潮汐剝離。

來自CfA的本篇論文另一位共同作者Bill Forman說明,以鄰近星系而言,在目前所取得關於「黑洞比宿主星系生長速度更快」的各種證據中,這是其中最明確的一次。

至於為何宿主星系中的黑洞質量生長速度比恆星質量快?論文作者為這個疑問提出的說明是:在該星系的成長歷史中,早期本來曾有一塊很大的濃密氣體在星系中央,以慢速度自旋,這就是餵養黑洞成長的食物。黑洞成長得很快,而當黑洞成長時,它所吸積(或吞吃)的氣體量也和吸積過程所釋出的能量一起等量地成長。黑洞達到臨界質量時,持續進食氣體所引起的爆發造成它無法冷卻,也限制了新恆星的生長。

超大質量黑洞,有可能是早在星系中有很多恆星之前便已累積出很重的質量,這對我們在思考星系和黑洞如何共同演化的方向上,可能是個明顯的大轉彎。

本篇研究結果於220屆美國天文學會會議期間發表,獲刊於ApJ。(Lauren譯)

資料來源:中研院天文網[2012.06.18]

轉載自台北天文館網之網路天文館網站

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