天文学

中等质量的黑洞

在恒星黑洞与超大质量黑洞之间,有几百到几千个太阳质量的黑洞。它们为星系的演化提供了线索。

朱利安·拉瓦勒(Julien Lavalle) 科学档案N°75
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黑洞现在已成为经典天体物理学家的一部分。我们非常了解恒星黑洞,其质量是太阳及其超大质量黑洞的数倍,其质量是固定在某些星系中心的几百万至数十亿个太阳质量。但是,自1990年代后期以来,通过光学数据证实的X射线观测表明,在附近的星系中,可能还有我们自己的星系中,存在着数千个太阳质量的黑洞。猜想这些黑洞是在1970年代末,作为中间人的资格越来越少被争论。它们可能在星系的形成和演化中起主要作用。特别地,它们将成为超大规模黑洞的种子。在详细讨论这些神秘对象之前,让我们回到黑洞形成的一般机制。

在天体物理学中,黑洞是一个巨大的物体,其引力场非常强烈,以至于它阻止任何形式的物质或辐射逸出。天文学家卡尔·史瓦西尔德(Karl Schwarzschild)在1916年的数学意义上证明了它的存在,这是一年前制定的爱因斯坦广义相对论的结果之一。从形式上看,它们是时空的奇点,也就是说,引力场是无限的区域。这些“病理”对象首先是纯粹理论研究的主题,或者出现在作品中而没有命名。印度理论家Subrahmanyan Chandrasekhar于1930年代预测,存在一个极限质量,即Chandrasekhar极限,超过该极限质量,压力将不再能够抵抗重力,天体也必须坍塌。尽管Chandrasekhar未指定,但最终对象可能是黑洞(严格来说,他的工作重点是白矮星,但该方法可以转换为任何类型的天体。

今天,黑洞仍然构成许多理论问题,关于奇点附近的描述仍然是一个悬而未决的问题,需要结合重力和量子力学的新理论。但是自从1971年观察到第一个黑洞候选物Cygnus X-1以来,它们已逐渐成为天体物理学中的常见对象。黑洞既是大型天体坍塌的最终阶段,又是物质积聚的强大动力,它在天体物理学和宇宙学中起着重要作用,因为它们自然出现在演化,恒星和星系中。

根据定义,无法直接“看到”黑洞被许多间接的观察标记出卖:长期存在争议的黑洞的存在不再受到质疑。特别地,黑洞的重力场所吸引的物质通常以吸积盘的形式被吸引。在该圆盘中,内层的材料通过辐射损失能量,因此被冷却后,可以更深地进入重力井。外层被内层发射的辐射部分加热。最后,光盘释放出X射线,显示出黑洞。

巨大的差距

因此,我们可以区分两类黑洞。第一个是恒星黑洞,有几个太阳质量。如果它们吸收了从邻近恒星撕下的物质,则很容易在X射线中观察到它们。对于黑洞,近亲表亲,中子星等,我们称之为二元X系统。

第二类是超大质量黑洞。它们的质量为数百万至数十亿个太阳质量,它们位于某些星系的中心。 1964年,一方面俄国理论家Yakov Zeldovich和Igor Novikov提出了建议,另一方面,美国Edwin Salpeter提出了只有几百万个太阳质量的黑洞产生的物质才可能是地球的起源。然后在电磁谱的宽频带内沿某些星系的方向观察到强烈的发射,因此可以认为它们是星系的活动核。然后将验证该假设。

此外,类星体(从1960年代末开始通过光谱学观察到的非常远的光源)也可以通过位于遥远星系中的超大质量黑洞来解释。 1969年,英国天体物理学家唐纳德·林登·贝尔(Donald Lynden-Bell)提出,类星体和星系的活跃核是星系演化的特定阶段,并且在耗尽了整个星系盘之后,超大质量黑洞仍然占据着它们的中心。今天,我们确实可以通过运动学方法观察到非活动星系心脏中的超大质量黑洞,也就是说,通过研究它们对附近恒星或气体轨迹的影响。其中最接近的一百万个太阳质量位于我们银河系的中心。

因此,恒星黑洞与超大质量黑洞之间在质量方面存在巨大差距。是否有任何中间质量的黑洞可以弥合间隙?这个问题的答案是“可能”,但是要理解它,我们首先描述黑洞形成的机制。

它本质上是压力和重力之间的竞争。自引力天体内部的压力可能来自其凝结时(气体云中)产生的气体或辐射的自然压力,也可能来自密度和温度足够时(在恒星的心脏),电子退化的压力(在白矮星中),甚至强大的核力(在中子星中)。重力来自质量。

不可避免的崩溃

当重力超过压力时,例如当物质积聚结束时,物体会自行坍塌。如果最终在一系列坍塌之后赢得了重力,就会形成黑洞。最初不是很重的恒星,例如太阳,最终以紧凑物体(白矮星)的形式出现。大质量恒星(具有超过十个太阳质量)的坍缩会导致其超新星爆炸,这会根据质量而产生中子星或黑洞,但也可能直接导致黑洞。因此,恒星黑洞是大质量恒星演化的潜在最后一步。

但是,理论上,由年轻恒星组成的恒星黑洞不能超过约20太阳质量。在质量最大的恒星中,比氦重的元素(我们称为金属性)的存在确实引起了非常强烈的恒星风,当恒星坍缩时,该恒星风喷射出了初始质量的很大一部分,从而限制了产生的黑色孔。

超大质量黑洞的形成更成问题。的确,这些天体是类星体的起源,它们的位置对应于只有几亿年历史的宇宙。在这么短的时间内如何形成如此庞大的物体?实际上,对于一个恒星黑洞来说,通过简单的物质增加就可以扩大到几亿个太阳质量,这将是一个宇宙年龄(137亿年)的时间。为了找到令人信服的线索,我们必须在更全球性的背景下解决这个问题,即星系的形成和演化。

1978年,英国天文学家马丁·里斯(Martin Rees)奠定了星系形成和演化理论的基础,在该理论中,超大质量黑洞起着主要作用:取决于中心黑洞的质量,其形成,气体和恒星的分布在原星系中,将出现不同类型的星系。我们现在知道,在整个历史过程中,无论其大小如何,巨大的黑洞都会对遮蔽它的物体的动态和充满活力的调节产生重大影响。

但是,在1970年代末,形成这些超大质量黑洞的设想只是在起草阶段。两种假设占主导地位:分子气体的非常重的云层崩溃或恒星聚集。如果最后一个想法很明确,第一个仍然是休假。 1984年,芝加哥大学的天体物理学家J. Richard Bond和他的两个同事W. David Arnett和Bernard Carr证明了这一点。它们基于这样一个事实,即在年轻的宇宙中,原始气体会产生非常巨大的恒星,并产生比普通恒星黑洞大得多的黑洞。怎么样?或者是什么?

原始气体的成分主要由氢和氦组成。几乎没有较重的原子核,正是因为它们尚未通过恒星内部的核聚变合成。在这种金属含量为零的介质中,可以形成非常大的气态云(多达几千个太阳质量),并且它们自身不会破裂,就像在富含重元素的环境中那样,并因此产生了巨大的原恒星。这些最初的星星,就人口而言 iii,从未被观察到。

第一代星星

在没有重原子种类且不受不存在的恒星辐射掩盖的情况下,正是中性氢分子的存在以及形成能够有效冷却并允许这些原恒星迅速坍塌的中性氢分子。此外,在这些第一代恒星中,与第二代或第三代恒星不同,核聚变连续相(氢,然后是氦,然后是碳等)的连续相的特征启动时间长于重力的特征时间。由于所涉及的巨大质量而导致坍塌,因此理论上压力几乎永远不足以长时间抵抗坍塌。换句话说,人口之星 iii 必须具有非常短的寿命(大约一百万年),并且几乎所有的黑洞都会塌陷而又没有时间发光很长的时间,因此很难观察它们!而且,由于零金属性,它们的恒星风可以忽略不计,并且在短寿命内它们很少喷射出物质,这与目前的大质量恒星不同。当它们塌陷成黑洞时,它们几乎与原始气体云一样大。

人口星 iii 因此很可能产生了几十到几千个太阳质量的黑洞,甚至更多:中等质量的黑洞。更准确地说,它们分为两个质量尺度:大约40到140太阳质量,超过260太阳质量。在这两个极限之间,恒星是不稳定的,并以超新星爆炸,将所有物质排出。

这些中间的黑洞如何解决超大规模类星体黑洞形成的难题?因为中间的黑洞可以在宇宙的早期形成,并具有足够的质量,可以通过物质的积聚或与它们的同伴的结合,甚至在容纳它们的原星系碰撞时迅速变得超大规模。实际上,由于黑洞很大,因此吸积效率更高,因此,中间黑洞生长所需的时间比经典恒星黑洞所需的时间短。而且,中间黑洞的聚结产生的物体比与仅涉及几个太阳质量的物体的相同过程要快得多。

让我们检查这些中间黑洞的存在的观察线索。这些线索随着1990年代X射线观测卫星的发展而积累,特别是由于利用该卫星对附近众多星系进行了观测活动。 罗莎,爱德华·科尔伯特(Edward Colbert)和理查德·穆肖兹基(Richard Mushotzky)分离出非常强的X射线源,它们位于观测到的星系中心之外,与恒星X二进制文件完全不同。

这些光源在X中称为超发光光源,乌尔克斯),是由东京大学的Tsunefumi Mizuno和他的同事在1999年使用asca卫星进行研究的,它们的亮度要比X二进制数高得多。比太阳大几百到几万倍。

神秘来源X

实际上,在1980年代就已经用卫星观测到了非常明亮的X形辐射源 爱因斯坦,但该仪器的分辨率尚不足以得出结论。下一代的卫星, 毫米-牛顿 钱德拉,随着精度的提高,可以在2000年代初精确定位源并测量其空间范围。

数百个来源 乌尔克斯 现在已经确定了,但关于中间质量黑洞的解释仍存在争议。质量的估计取决于基础的吸积模型,并且很难精确:中等质量的黑洞与二进制X的黑洞之间的边界不清楚。此外,很难将这些观测结果与年轻的宇宙中形成中间黑洞的更为基本的情况联系起来。一些资料 乌尔克斯 在高恒星形成率的地区发现恒星,从定义上看,恒星是年轻的,因此可能是最近形成的-可能是通过合并年轻的恒星黑洞。

但更常见的是,包含最多来源的星系 乌尔克斯 是椭圆形星系,非常庞大,并有古老的恒星。这 乌尔克斯 主要在球状星团中观察到,这些星团是非常古老的恒星。矛盾的是,它们在螺旋星系的球状星团中很少见:在没有星际气体吞噬的情况下,黑洞在那里是不活动的(因此是不可见的)。确实,通过对空间望远镜的观察进行的运动学重建 哈勃 建议几个球状星团,例如 m15 (银河卫星)或 g1 (仙女座星系的卫星),遮蔽了数千个太阳质量的黑洞。这些估计导致恒星速度的色散与中心黑洞质量之间的关系与在银河系中观察到的关系相同。这将违反球状星团和星系共同的形成过程。

暗物质和黑洞

确实,有几个研究小组在没有中心球的螺旋星系中寻找中等质量的黑洞, 先验 旋涡星系中质量最小的。使用大孔的光谱数据 固态硬盘,特别是已经表明,少数但不是无关紧要的无灯泡螺旋部分带有中间类型的黑洞。这些结果得到了红外观测的支持(X射线的发射被稠密的介质吸收,但在红外中重新发射):约有百分之十的不带球状星系的星系将具有中等质量的中心黑洞。因此,后者在星系的形成和演化中起着重要作用。让我们回到它们的宇宙起源。

超大质量黑洞在星系的演化中起着重要作用,因此有趣的是,在宇宙大结构的形成和演化的更一般的框架中,从中间的黑洞发展出完整的形成场景。这个宇宙学框架是基于现代物理学中最大的难题之一:暗物质。暗物质是瑞士天文学家弗里茨·兹维克(Fritz Zwicky)在​​1930年代引入的,它仍然是未知的物质,尤其在重力作用下与普通物质和辐射发生相互作用。在当前的标准宇宙学模型中,它代表了宇宙中近85%的物质。积极寻求可能构成暗物质的巨大外来粒子 h,是大型强子对撞机 塞恩,就像希格斯玻色子一样。

暗物质已成为银河系和大型宇宙结构形成模型中必不可少的成分。在年轻的宇宙中,暗物质没有受到辐射压力的作用,它在历史上比普通物质更早地因重力不稳定而崩溃。暗物质的浓度然后挖出第一个“重力沉陷”或光晕,冷却后,普通物质然后以大的氢云团形式聚集。这些云的凝结产生了第一批恒星,然后产生了第一批星系。没有暗物质,星系就不可能在足够短的时间内形成:观测到最古老的星系已经存在于大爆炸之后不到7亿年。

暗物质向光晕的塌陷将是形成中级和超大规模黑洞的先决条件。有几种理论方案(请参阅 冷电流助长黑洞,与Y. Dubois的访谈,第110页)。加州大学圣克鲁斯分校的Piero Madau和M. Rees于2001年提出,中等质量黑洞起源于种群星。 iii 几百个太阳质量,是在只有几亿年历史的宇宙中形成的,数十万个太阳质量的暗物质光环特别密集,因此非常罕见。这些黑洞能够插入形成星系的心脏,并因吸积或聚结而变大。因此,像我们这样的星系可以容纳数千个星系,这些星系会徘徊,孤独,无形,或者会作为来源 乌尔克斯 如果他们处于合适的环境中。

2004年,俄亥俄大学的Savvas Koushiappas,剑桥大学Unity的James Bullock和耶路撒冷希伯来大学的Avishai Dekel提出了另一种选择:在质量非常大的暗物质的引力井中,很早就会形成中等质量的黑洞。一百万个太阳质量,缓慢地自转。这些条件将使气体以块状圆盘的形式稳定,然后在重力不稳定性的作用下直接塌陷成黑洞。结果是产生了数十万个太阳质量的巨大的中间黑洞,这些黑洞也可能漫游数十个星系,并成为超大质量黑洞的种子。

不管使用哪种模型,随着第一批恒星使周围的气体电离并增加其金属性,宇宙中的中间黑洞的形成应逐渐停止,从而产生压力,从而减慢坍塌的速度和使气体云移位的恒星风。因此,仅在几亿年的时间里就可能形成原始的中间黑洞。请注意,直到今天,它仍可能通过星团中紧凑物体的合并形成。

最终,充当中等质量黑洞摇篮的暗物质晕从理论上为检测它们提供了一条途径。如果暗物质的性质与超对称理论的预测相符,它将在高度集中的区域(例如中等质量黑洞周围)歼灭。尽管很难预测黑洞周围暗物质的密度,但是中国国家天文台的赵洪升和牛津大学的乔·希尔·希尔在2005年提出了探测这种an灭产生的伽马射线的可能性。 。这个想法被其他团队采纳和发展。但是,这些预测仍然非常不可能,就像研究所的Torsten Bringmann一样 欲望来自德国萨沃伊大学的Pierre Salati在德国汉堡的我自己进行了演示。

在宇宙学背景下形成黑洞的理论框架已经相当明确,但是明确的计算仍然很困难。为了测试宇宙尺度上星系形成的场景,理论家因此诉诸于数值模拟。这些模拟很好地再现了在大型星系调查中观察到的结构,并且是了解首颗恒星形成的宝贵工具。

宇宙模拟

近年来,已经使用这些宇宙学模拟研究了中,大质量黑洞的形成,并结合了表征普通物质崩塌的流体动力学方程。但是,考虑到压力,辐射,核反应和恒星风仍然很困难。 2005年慕尼黑马克斯·普朗克研究所的Tiziana Di Matteo,Volker Springel和Lars Hernquist等模拟实验考虑了中等质量的黑洞,并说明它们如何通过吸积而变大并成为黑洞的起源。几个原星系合并时的类星体。特别地,这些模拟重现了在星系中观察到的相关性,例如中心黑洞的质量与银河系灯泡中星速的弥散之间的关系。因此,对来自中间种子的黑洞生长的处理解释了这些物体和星系形成的许多特性。

因此,中等质量黑洞体现了恒星黑洞和超大质量黑洞之间的缺失联系。它们原来是基本物体,是星系形成中的潜在砖头。虽然观察线索如来源 乌尔克斯 尽管人们赞成星系中存在大量中间黑洞的假设,但它们可能引起不同的解释。了解这些X来源需要进一步观察。互补的签名(例如,引力波)原本应该在黑洞合并期间发出,但它们也会使我们对这些物体有更多的了解。

然而,其他最近的观察结果也强调了大约百分之十的最小螺旋星系中存在中等质量的黑洞,这支持了它们在形成大型结构中的潜在重要作用。达成共识的方案还有很长的路要走,模拟尚未进行,但是最新的进展令人鼓舞。

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