哈勃發現圍繞中等質量黑洞的超級星團

chris881

摘要：借助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡，天文學家發現黑洞HLX-1周圍存在由年輕藍巨星組成的星團（藍巨星簇），HLX-1是首個被證實的中等質量黑洞。天文學家相信，這個黑洞曾經是現已瓦解的某個矮星系的核心，本發現對我們理解星系和超級黑洞的演化有著相當重要的意義。



哈勃WFC3拍攝的星系ESO 243-49，圈中就是HLX-1所在的超級星團。由於配色緣故，整個圖像偏綠。版權：NASA，ESA，S.Farrell等


借助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡，天文學家發現在首個被證實的中等質量黑洞周圍，存在由年輕藍巨星組成的星團（藍巨星簇）。天文學家相信，這個黑洞曾經是當前已瓦解的某個矮星系的核心，本發現對我們理解星系和超級黑洞的演化有著相當重要的意義。

天文學家知道多大質量的恆星會坍縮形成黑洞，但不清楚星系中心那些10億個太陽質量級別的超級黑洞是怎麼形成的。一種觀點是它們通過小黑洞合併形成。

2009年，澳大利亞悉尼天文研究所的肖恩•法雷爾（Sean Farrell）借助歐洲空間局（ESA）的牛頓X線多鏡面（XMM）空間望遠鏡，發現了一個中等質量黑洞——HLX-1（超亮X線源1#），質量約為2萬個太陽。它位於ESO 243-49星系的外緣，離地球約2.9億光年。



WFC3從遠紫外到近紅外6個波段拍攝的黑洞附近區域圖像


法雷爾接著同時使用NASA的雨燕空間望遠鏡在X線波段、和哈勃望遠鏡在近紅外、可見光、紫外波段觀測HLX-1。從圖像的亮度、顏色看，圍繞該黑洞可能存在著一個250光年寬、由年輕藍巨星組成的大質量星團；由於星團距離太遠，哈勃無法辨析單顆恆星。該天體的顏色、亮度都與其他星系中的超級星團相同，但部分光可能來自圍繞黑洞的氣體盤。

法雷爾說：「這個最新發現之前，我們就猜測存在中等質量黑洞，但我們現在知道它在何處形成。存在極為年輕的星團事實意味著，中等質量黑洞可能起源於超低質量矮星系的中央黑洞。矮星系可能已經被主星系吞併，就像銀河系中發生過的一樣。」（ω星團就是——譯註）



Soria團隊提出的模型，左圖：VLT拍攝的紫外波段圖像及增強效果；右圖：團隊給出的亮度模型，上為總合成圖，中為背景亮度模型，下為黑洞附近的亮度模型。


根據X線觀測資料，法雷爾團隊知道圍繞黑洞的熾熱氣體盤會輻射部分藍光。但這不能解釋觀測到的紅光輻射，紅光只能來自冷得多的氣體；研究團隊分析最可能是來自恆星。接著他們修改模型，在其中加入恆星的輻射。這些修改後模型支持在黑洞周圍存在年輕的超級星團，但這並非唯一的解釋，所以更需要進一步的觀測。特別是，由澳大利亞國際射電天文研究中心的Roberto Soria領導的團隊，使用哈勃和甚大望遠鏡（VLT）的數據，發現了目標天體的爆發性光變，而（我們知道）星團的亮度是幾乎不變的。這說明氣體云的亮度被發光氣體盤所支配，而不是Farrell團隊所認為的大質量星團。

法雷爾繼續說：「能明確的是——根據哈勃觀測數據，我們要解釋得通，就既需要吸積盤的輻射，也需要來自恆星的輻射。」



Farrell團隊給出的模型，沒有發光氣體盤，而是通過星團和吸積盤的組合來匹配觀測。注意坐標都是對數的，左邊代表高能量的X線輻射，由雨燕獲得，右邊是哈勃獲得的可見光段數據。SED:光譜能量分佈的縮寫。


如此年輕的星團在星系內部普遍存在，比如圖中的宿主星系中就有，但它們都位於星系盤內，從來沒有像HLX-1那樣遠在星系外緣的。一種可能的情形是：HLX-1的黑洞是某個矮星系的中心黑洞。在此假設下，矮星系的大部分恆星都在與主星系的碰撞中剝離了，也同時誕生了一批新的年輕恆星——碰撞壓縮了矮星系中央黑洞周圍的氣體，觸發了恆星形成。

法雷爾認為，這個星團還不到2億歲，意味著大部分恆星都是在矮星系與主星系相撞時形成的。恆星的年齡告訴我們相撞發生在何時。

法雷爾計劃在今年進行更多的觀測，他們的新發現已經刊登在2012.2.15出版的《天體物理學》期刊上。而Soria團隊與之相異的分析報告已經於1.17登載在《皇家天文學會每月通告》的網站上。