周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/strong>

周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

翻譯：馬嘯然

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責(zé)任編輯：王啟儒

原文發(fā)布于 universetoday.com

天文學(xué)家是否正站在發(fā)現(xiàn)首例難以捉摸的中等質(zhì)量黑洞的門檻上？多年來，不同研究團(tuán)隊(duì)一直在試圖給出相關(guān)證據(jù)，比如在球狀星團(tuán)半人馬座ω中就有一個(gè)候選，也有證據(jù)顯示它們可能存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞附近。如今，研究人員又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)正在吞食恒星的 IMBH 線索。

X 射線輻射是天文學(xué)家探測黑洞的主要手段之一。當(dāng)來自伴星的物質(zhì)被恒星級黑洞吸引時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)在吸積盤中加熱到極高溫度并發(fā)出 X 射線。超大質(zhì)量黑洞（SMBH）在潮汐瓦解事件（TDE）期間也是如此。對假設(shè)中的 IMBH 以及這一次的新候選體，同樣適用。

這張圖像展示了一個(gè)可能屬于罕見類別的天體——中等質(zhì)量黑洞（IMBH）——NGC 6099 HLX?1，似乎位于一座巨型橢圓星系中的一個(gè)致密星團(tuán)內(nèi)。該天體不同尋常的 X 射線發(fā)射首先被哈勃太空望遠(yuǎn)鏡與錢德拉 X 射線天文臺(tái)捕捉到。

Credit: X-ray: NASA/CXC/Inst. of Astronomy, Taiwan/Y?C Chang；Optical/UV: NASA/ESA/STScI/HST；Image Processing: NASA/STScI/J. DePasquale

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡與錢德拉 X 射線天文臺(tái)協(xié)同工作，在距離約 4.5 億光年外的一座遙遠(yuǎn)橢圓星系中探測到來自疑似 IMBH 的強(qiáng)烈 X 射線發(fā)射。相關(guān)發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》上，論文第一作者是臺(tái)灣學(xué)者張祐祺。

作者寫道：“我們報(bào)告了一個(gè)投影在橢圓星系 NGC 6099 外側(cè)的可變 X 射線源的耐人尋味的性質(zhì)。其光學(xué)連續(xù)譜可以用來自致密星團(tuán)的恒星輻射，或被 X 射線照亮的吸積盤來建模，這與 IMBH 的情景相一致?！?/p>

該源名為 NGC 6099 HLX?1。錢德拉 X 射線天文臺(tái)在2009 年首次探測到它，當(dāng)時(shí)它的 X 射線出現(xiàn)強(qiáng)烈耀發(fā)。此后，天文學(xué)家一直利用歐洲航天局的 XMM?牛頓望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行監(jiān)測，觀察到其 X 射線輻射隨時(shí)間變化。來自多臺(tái)其它望遠(yuǎn)鏡的觀測也進(jìn)一步完善了證據(jù)鏈。

研究人員之所以想找到 IMBH，是因?yàn)樗鼈兛赡苁呛诙吹燃壸V系中的缺失環(huán)節(jié)。

張祐祺表示：“在星系核以外，具有如此極端光度的 X 射線源非常罕見，它們可作為識別難覓 IMBH 的關(guān)鍵探針。它們代表著恒星質(zhì)量黑洞與超大質(zhì)量黑洞之間演化上的關(guān)鍵缺口?！?/p>

面板展示了不同時(shí)期、由不同望遠(yuǎn)鏡獲得的 NGC 6099 HLX?1 四幅影像。HLX?1 位于橢圓星系 NGC 6099 的外側(cè)，距離星系中心約 4 萬光年。左下圖來自錢德拉，右下圖來自加拿大?法國?夏威夷望遠(yuǎn)鏡。
Credit: Yi?Chi Chang et al. 2025 ApJ 983 109

天文學(xué)家已經(jīng)非常熟悉潮汐瓦解事件的輻射特征，而在 NGC 6099 HLX?1 的 X 射線中也發(fā)現(xiàn)了這些特征，通過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還在該候選 IMBH 附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小型恒星星團(tuán)的跡象，這個(gè)證據(jù)頗具說服力——畢竟在確認(rèn)銀河系中心 SMBH 的過程中，具有異常運(yùn)動(dòng)的恒星群也是關(guān)鍵線索。NGC 6099 HLX?1 附近的恒星高度致密，為 IMBH 提供了充足的“口糧”。

當(dāng)黑洞吞食恒星或其他物質(zhì)時(shí)，只有一部分物質(zhì)會(huì)跨越事件視界，其余則聚集成旋轉(zhuǎn)的吸積盤并被加熱。研究人員指出，吸積盤中的物質(zhì)溫度達(dá)到約170 萬攝氏度，與 TDE 的期望一致——足以發(fā)出 X 射線。這些輻射在2012 年達(dá)到峰值，比首次探測到的2009 年亮了 50 到 100 倍，此后逐漸回落。如此超高光度的 X 射線輸出對恒星級黑洞而言過于明亮，卻落在IMBH的理論范圍內(nèi)。

帶吸積盤的黑洞示意圖。當(dāng)黑洞從恒星汲取物質(zhì)時(shí)，部分物質(zhì)在超高溫的吸積盤中輻射出 X 射線。

Credit: NOIRLab/AURA/NSF/P. Marenfeld

作者在論文中解釋道：“HLX?1 的觀測性質(zhì)使其成為一個(gè)不同尋常且耐人尋味的源，難以被歸入常見的吸積致密天體類別?！辫b于所探測到的 X 射線性質(zhì)，他們觀測到的也可能是一個(gè)背景活動(dòng)星系核（AGN），作者認(rèn)為這確實(shí)是一種可能性?！拔覀儫o法完全排除一個(gè)遙遠(yuǎn)的背景 AGN 或類星體的可能，但用 AGN 來解釋略顯牽強(qiáng)”。

關(guān)于 NGC 6099 HLX?1 的一個(gè)疑點(diǎn)在于：其 X 射線輻射有一個(gè)光學(xué)對應(yīng)體。這個(gè)藍(lán)色、點(diǎn)狀的光學(xué)源可能來自承載 IMBH 的一個(gè)星團(tuán)，這與“IMBH 在星團(tuán)中形成”的理論一致；但也可能是 X 射線照射吸積盤后再處理為光學(xué)光所致，這種解釋同樣符合 IMBH 。作者在論文中寫道：“該光學(xué)對應(yīng)體的形態(tài)和亮度與位于 NGC 6099 外側(cè)的來源一致，例如一個(gè)大質(zhì)量星團(tuán)或超緊致矮星系。”未來幾年這種輻射如何變化，可能會(huì)揭示 HLX?1 的真實(shí)情況。

意大利國家天體物理研究所的論文合著者羅伯托·索里亞說：“如果這顆 IMBH 正在吞噬一顆恒星，那要多久才能把它的氣體吞完？2009 年時(shí) HLX?1 已經(jīng)相當(dāng)明亮；到了 2012 年，它又亮了大約 100 倍，然后又變暗了。接下來我們需要繼續(xù)觀測，看它是否會(huì)多次耀發(fā)，還是說已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)開始、一個(gè)峰值，然后就會(huì)一路衰減直到消失的過程?！?/p>

這幅插圖展示了一顆恒星在一次潮汐瓦解事件中被黑洞“意面化”的過程。

Credit: NASA / CXC / M. Weiss

在論文的結(jié)論中，研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)：“該源符合識別中等質(zhì)量黑洞（IMBH）的主要篩選標(biāo)準(zhǔn)?！本同F(xiàn)有觀測而言，這是最為簡潔的解釋。

他們寫道：“我們討論了多種替代性的解釋，并認(rèn)為這是位于致密星團(tuán)中的一顆 IMBH，通過對一顆低質(zhì)量恒星的潮汐剝蝕/瓦解獲得物質(zhì)供給，是與現(xiàn)有數(shù)據(jù)最相符的最簡方案。”

不過這并不能解釋為什么 NGC 6099 HLX?1 在 2009 年較為黯淡，而在 2012 年亮度又增加了 50 到 100 倍。作者寫道：“乍看之下，2009 年的探測似乎排除了單次 TDE 的情形?！蹦壳皩Υ爽F(xiàn)象的最佳解釋是：一顆恒星沿橢圓軌道繞 IMBH 運(yùn)行，在近距離掠過時(shí)會(huì)被周期性剝蝕，這在超大質(zhì)量黑洞（SMBH）周圍的 TDE 中也曾被觀測到。這個(gè)機(jī)制同樣可以解釋其他 IMBH 候選體所呈現(xiàn)的可變 X 射線。

還有另一種情景可以解釋 NGC 6099 HLX?1 及其“暗—亮—再暗”的亮度演化：2009 年的初始增亮，可能源于在自相交的吸積流中被激波加熱的氣體；而 2012 年的峰值則對應(yīng)吸積盤的吸積階段。

要真正回答 NGC 6099 HLX?1 的謎題，以及 IMBH 是否存在這一更宏大的問題，仍有賴更多觀測。如果 IMBH 的確是恒星級黑洞與 SMBH 之間的中間階段，那么在它們通過吸積增長時(shí)將其捕捉到至關(guān)重要。黑洞質(zhì)量與宿主星系質(zhì)量之間存在比例關(guān)聯(lián)，找到更多 IMBH 將強(qiáng)化這種關(guān)系。若能在大質(zhì)量星系的外緣發(fā)現(xiàn)更多 IMBH，可能意味著它們最終會(huì)落入星系內(nèi)部，推動(dòng) SMBH 的層級式增長。

當(dāng)然，除合并吞噬 IMBH 之外，SMBH 的增長也可能有其他渠道。一些天體物理學(xué)家提出，SMBH 也許會(huì)在暗物質(zhì)暈中通過直接塌縮而成長，多種機(jī)制并存亦不無可能。但我們面臨觀測偏差：相比 IMBH，SMBH 更易被探測。IMBH 也許遠(yuǎn)比我們觀測到的更多，只是難以發(fā)現(xiàn)，找到更多此類天體，將幫助我們理解黑洞的成長過程。

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

有點(diǎn)曬

來源: Reddit

謝謝閱讀