发现数千个黑洞在银河系中心嗡嗡作响的证据自20世纪70年代以来

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自20世纪70年代以来，天文学家就已经了解到一个超大质量黑洞(SMBH)位于银河系中心。这个黑洞位于人马座和天蝎座之间，距离地球约26000光年，被称为人马座A* (SgrA*)。这个天体的直径为4400万公里，大约是太阳的4百万倍，产生了巨大的引力。

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2013年9月14日天文学家们在银河系中心的超大质量黑洞中发现了有史以来最强大x射线耀斑，即人马座A* (Sgr A*)。图片:NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.

从那时起，天文学家们已经发现，大多数巨大星系的核心都有超大质量黑洞(SMBH)，这就是活跃星系核(AGN)与不活跃星系核(AGN)的区别。但是，由于最近一项使用美国宇航局钱德拉x射线天文台的研究调查，天文学家已经发现了数百甚至数千个位于银河系中心附近黑洞的证据。

研究结果最近发表在《自然》期刊上，标题是“银河系中央一个静止x射线双星的密度点”。这项研究由哥伦比亚大学的物理学教授、哥伦比亚大学天体物理实验室的联合主任查克·海利领导，他还包括在智利的Pontificia大学和哈佛-史密森天体物理中心的成员。

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银河系中心x射线双星用红色圆圈圈出，其他x射线源以黄色圆圈圈出，人马座A在中心以蓝色圆圈表示。图片:NASA/CXC/Columbia University/C.Haileyet al.

利用钱德拉数据，研究小组搜索了包含在人马座A* (Sgr A*)附近黑洞的x射线双星。要回顾一下，黑洞在可见光下是无法探测到的。然而黑洞(或中子星)被锁定在与恒星紧密的轨道上，将会从它们的同伴那里拉出物质，然后这些物质会被吸到黑洞的圆盘上，并加热到几百万度。这将导致x射线的释放，然后被检测到，因此这些系统被称为“x射线双星”。

利用钱德拉的数据，研究小组找到了在人马座A* (Sgr A*)大约12光年范围内的x射线源。然后他们选择了与已知x射线双星相似的放射源，后者发射出相对大量的低能量x射线。使用这种方法，在大约3光年的人马座A* (Sgr A*)中发现了14个x射线双星，所有这些都包含了恒星质量的黑洞(在太阳质量的5到30倍之间)。

之前的研究已经确定了其中的两个来源，并从分析中剔除，而剩下12个(在上图中用红色圆圈表示)是新发现的。据信，相对大量的高能x射线(用黄色标示)是含有白矮星的双星。Hailey和他的同事们得出结论，大多数的x射线双星很可能含有黑洞，这是基于它们的可变性，以及它们在几年时间里的x射线辐射与包含中子星的双星所期望的不同。

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黑洞双星的概念图，由黑洞虹吸物质构成。图片:ESO/L. Calada

鉴于只有含黑洞的最亮x射线双星可能会在人马座A* (Sgr A*)附近探测到(考虑到它与地球的距离)，Hailey和他的同事们得出的结论是，这一发现意味着有更多的存在。根据估计，在人马座A* (Sgr A*)周围有至少300个恒星质量的黑洞。这些发现证实了过去星系中恒星动力学的理论研究。

根据这些研究，大量的恒星质量黑洞(多达20000个)可能会在数百万年的时间里向内漂移，并聚集在一个黑洞周围。然而，Hailey和他的同事最近进行的分析是第一个观测证据，发现黑洞聚集在人马座A* (SgrA*)附近。发现的x射线的释放还有其他的解释。这包括他们观测到的12个来源中有一半是毫秒脉冲星--非常快的旋转中子星，具有很强的磁场。

然而，基于他们的观察，海利和他的团队强烈支持黑洞的解释。后续研究由Aleksey Generozov et al。哥伦比亚大学--名为“黑洞的过多的x射线双星星系中心从潮汐捕获”--表示可能有多达10000到40000个银河系中心黑洞双星。根据这项研究，这些双星是被黑洞捕获同伴的结果。除了揭示银河系中恒星的动力学特性外，这项研究还对引力波(GW)研究的新兴领域产生了影响。

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合并的双黑洞概念图，图片:LIGO/A. Simonnet.

从本质上讲，通过知道星系中心有多少个黑洞(它们会周期性地相互融合)，天文学家将能够更好地预测有多少引力波事件与它们有关。从这一点上，天文学家可以建立预测模型，了解引力波(GW)事件的发生时间和方式，以及他们在星系演化过程中可能扮演的角色。下一代仪器--如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)和欧空局的高能天体物理学高级望远镜--天文学家将能够精确地确定在我们的星系中心附近有多少个黑洞。

博科园-科学科普|文:Matt Williams|来自:Universe Today|参考:NASA