早期黑洞可能曾间歇爆发式生长

早期黑洞可能曾间歇爆发式生长

使用钱德拉X射线天文台和斯隆数字巡天中心的数据,科学家们发现了超大质量黑洞在宇宙大爆炸之后的最初十亿年内间歇性生长的证据。

来源: X射线:NASA/CXC/Univ. of Rome/E.Pezzulli et al.

插图:M.Weiss/NASA

天体物理学中有一个长期存在的问题:超大质量黑洞在早期宇宙中是何时以及如何出现与生长的?一项采用NASA钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)和斯隆数字化巡天(the Sloan Digital Sky Survey, SDSS)数据的新研究指出,该问题的答案在于巨型黑洞可能在大爆炸后的十亿年内以间歇性的方式消耗了物质。

天文学家已经确定大爆炸发生在大约138亿年前,并且来自SDSS的证据也证实了大约128亿年前已经存在约有十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,这意味着超大质量黑洞在大爆炸后的第一个十亿年间迅速生长。然而,科学家们仍在努力寻找这些迅速生长的巨型黑洞的证据。

“超大质量黑洞并不是生而如此的——它们需要时间来吸收大量的物质”,研究的主要作者、意大利罗马大学博士生、由欧洲研究理事会(European Research Council,简称ERC)资助的“FIRST”项目成员Edwige Pezzulli称,“我们正在努力寻找答案,弄清楚它们到底是如何在不留任何痕迹 的情况下完成这些过程的。”

当物质落向黑洞时,会被加热并产生大量的电磁辐射,其中包括大量X射线。早期宇宙中迅速生长的黑洞应该能够被钱德拉X射线天文台探测到;然而,事实却证明这些生长中的超大质量黑洞是如此难以捉摸,在钱德拉很长时间的观测中仅发现了少数尚未被证认的候选体。这样的观测包括迄今为止拍摄的最深视场的X射线图像——钱德拉南深空区(CDF-S)。

为了解决这个难题,Puzzulli和她的同事检验了不同的理论模型,并用SDSS的光学数据和钱德拉X射线天文台的X射线数据进行了测试。他们的研究发现,这一时期黑洞吞噬物质的行为可能突然开始但持续时间极短,这就意味着黑洞的生长很难被发现。

“在我们的模型中,仅有大约三分之一的黑洞在130亿年前大量吸收物质并持续生长,”来自意大利国家天体物理研究所(National Institute for Astrophysics, INAF)和FIRST项目组成员Rosa Valiante说,“大约2亿年前,仅有3%的黑洞还在活跃地吞噬物质。我们不得不感叹,时机就是一切!”

科学家想要研究宇宙中最早的超大质量黑洞。

视频来源: NASA/CXO

研究人员在测试了多个理论后得到了上述结论。这些理论都假定黑洞生长可以超过所谓的爱丁顿极限,即热气体向外的辐射压力与黑洞向内的引力相平衡时的光度。

这项研究的结论驳斥了只有一小部分星系在大爆炸之后的十亿年间具有超大质量黑洞的可能性。此外,虽然这些早期黑洞可能被掩盖在厚厚的物质云中,但是研究发现大部分X射线有着穿透云层的能力。

这项研究基于这样一个思想,即当第一批黑洞刚诞生的时候,它们的质量仅相当于约一百个太阳。“这些‘轻量级’种子黑洞很可能是大爆炸之后几亿年内形成的第一代大质量恒星的遗迹。”意大利比萨高等师范学校(Scuola Normale Superiore)的博士生,同时也是这项研究的合作者Maria Orofino说。

一支由意大利比萨高等师范学校的Simona Gallerani和米兰比可卡大学(Bicocca University of Milan)的Tullia Sbarrato等女科学家组成的团队发现,黑洞可以在相对罕见的爆发期内迅速生长,以至于这些轻量级种子黑洞质量剧增,在宇宙仅有十亿岁时就可以达到太阳质量的十亿倍。

“为了知道我们是否真的正确,我们需要通过X射线观察更大范围的天空,去看是否能找到我们模型预测的宇宙早期贪吃黑洞,”来自罗马大学,同时也是ERC的FIRST项目负责人Raffaella Schneide说,“我对此次研究结果甚有信心。”

这些研究成果刊登于2017年度4月的《皇家天文学会月报(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)》上,网络上也可查阅。阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center)管理着NASA在华盛顿科学任务理事会(Science Mission Directorate)的钱德拉X射线天文台项目。马萨储塞州剑桥市的史密森天体物理天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)执行着钱德拉的科学和飞行任务。(原文编辑:Lee Mohon 翻译:董小咚 校对:凌尘 傅煜铭

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