發(fā)現(xiàn)制造“宇宙馬蹄”的觀測(cè)史上最大級(jí)別的黑洞，質(zhì)量相當(dāng)于360億個(gè)太陽(yáng)

9月25日(星期四) 11:22發(fā)布

據(jù)說(shuō)很多銀河的中心都有非常重的“超大質(zhì)量黑洞”。 據(jù)說(shuō)特別重的黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百億倍，但由于測(cè)量方法的問(wèn)題，其正確的質(zhì)量尚不清楚。發(fā)現(xiàn)了觀測(cè)史上最遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞“UHZ-1”里奧格蘭德州聯(lián)邦大學(xué)的Carlos R. Melo-Carneiro等的研究小組調(diào)查了帶有“宇宙馬蹄(漫畫(huà)軟管靴/ Cosmic Horseshoe )”愛(ài)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)物，作為制造該結(jié)構(gòu)的主體的銀河“l(fā)rg 3” 結(jié)果，黑洞的質(zhì)量估計(jì)約為太陽(yáng)的363億倍( 229~562億倍)。 這是用高精度的方法推算出的最重的黑洞。 根據(jù)這次的方法推測(cè)高精度的黑洞質(zhì)量，根據(jù)新望遠(yuǎn)鏡的活躍情況，事例有可能會(huì)增加。

測(cè)量黑洞的重量相當(dāng)困難

由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的被稱(chēng)為“宇宙馬蹄”的愛(ài)因斯坦環(huán)“SDSS J114833.14+193003.2”。 ( Credit: NASA & ESA )

據(jù)說(shuō)在很多銀河的中心部，有質(zhì)量是太陽(yáng)數(shù)百萬(wàn)倍到數(shù)百億倍的“超大質(zhì)量黑洞”。 如此巨大的黑洞是如何形成的，與銀河的形成和進(jìn)化有何關(guān)系……關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的謎團(tuán)有很多，至今仍在進(jìn)行研究。 超大質(zhì)量黑洞研究中的一個(gè)主要障礙是很難推測(cè)正確的質(zhì)量。 特別是很多位于“最重黑洞排行榜”前列的黑洞，都被認(rèn)為無(wú)法測(cè)定正確的質(zhì)量(另請(qǐng)參照后述的圖3 )。 大部分超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，取決于黑洞周邊被清除了多少恒星，以及黑洞吸入物質(zhì)時(shí)會(huì)釋放出來(lái)輻射能的強(qiáng)度等間接手段進(jìn)行推測(cè)。 但是，在重力極端強(qiáng)的地方天體和能量的行為，還沒(méi)有被正確理解。 由于根據(jù)物理學(xué)的不確定性很強(qiáng)，黑洞的估計(jì)質(zhì)量變得更加不確定。 因此，排名靠前的黑洞是否真的是沉重的黑洞還不確定。 另一方面，如果使用被稱(chēng)為“引力透鏡效應(yīng)”的現(xiàn)象，就可以正確地知道黑洞的質(zhì)量。 在廣義相對(duì)論中，重力表現(xiàn)為時(shí)空扭曲。 光平時(shí)在空間直線前進(jìn)，但重力引起的時(shí)空變形會(huì)彎曲光的前進(jìn)方向。 光線路徑的彎曲程度由重力源的強(qiáng)度和距離決定，因此可以通過(guò)彎曲程度的逆運(yùn)算來(lái)推測(cè)重力源的質(zhì)量。 例如，如果兩個(gè)銀河沿著觀察者的視線重疊，則遠(yuǎn)側(cè)銀河的光會(huì)由于近側(cè)銀河的重力而彎曲路徑。 為了發(fā)揮仿佛凸透鏡將光聚集在一起的效果，內(nèi)側(cè)銀河的像會(huì)扭曲或分裂。 反過(guò)來(lái)說(shuō)，通過(guò)詳細(xì)了解像的變形，不僅可以知道重力源天體的質(zhì)量，還可以知道分布和大小。 通過(guò)精密的觀測(cè)和計(jì)算，也可以從銀河主體的質(zhì)量中分離出來(lái)推測(cè)銀河中心的黑洞的質(zhì)量。 用這種高精度的方法測(cè)量出的最重的黑洞是“艾貝爾這是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，位于銀河中心，名為1201卡介苗( Abell 1201卡介苗)，估計(jì)質(zhì)量約為太陽(yáng)的327億倍。 除此之外，被稱(chēng)為“恒星運(yùn)動(dòng)學(xué)”的方法也有助于推測(cè)黑洞的質(zhì)量。 黑洞的重力越強(qiáng)，恒星運(yùn)動(dòng)速度的上限越高。 這個(gè)方法可以相當(dāng)高精度地推測(cè)黑洞的質(zhì)量。 但是，這種方法僅限于能夠進(jìn)行高分辨率拍攝以分辨恒星運(yùn)動(dòng)的附近的銀河，幾乎沒(méi)有應(yīng)用于數(shù)十億光年以外的銀河。

在“宇宙馬蹄”中發(fā)現(xiàn)巨大黑洞！

里奧格蘭德蘇魯聯(lián)邦大學(xué)的Carlos R. Melo-Carneiro等研究小組將這一研究方法應(yīng)用于被稱(chēng)為“宇宙馬蹄”的天體。 從地球上看，位于獅子座的該結(jié)構(gòu)是2007年由斯隆數(shù)字天空調(diào)查( SDSS )發(fā)現(xiàn)的，因此是目錄名“SDSS j 114833.14 + 193003.2 ( SDSS j 1148 + 1930 )” 我們知道這個(gè)宇宙馬蹄是至少三個(gè)星系的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 (※)主透鏡( primary lens ) :位于宇宙馬蹄中央的銀河，是引力透鏡效果的來(lái)源。 它有自己的名字“LRG 3-757”。 估計(jì)質(zhì)量約為太陽(yáng)的5兆倍。 離地球的距離約為57億光年。 弧( radial arc ):LRG 3-757重力導(dǎo)致圖像扭曲的銀河。 它有一個(gè)u形結(jié)構(gòu)，是宇宙馬蹄的由來(lái)。 離地球的距離約為190億光年。 輻射弧( tangential arc ):LRG 3-757重力導(dǎo)致圖像扭曲的另一個(gè)星系。 分裂成兩個(gè)像，一個(gè)是靠近的弧，另一個(gè)是遠(yuǎn)離的位置。 離地球的距離約為171億光年。 ※…離地球的距離全部用“共動(dòng)距離”(考慮到光行進(jìn)的宇宙空間因宇宙的膨脹而延長(zhǎng)的距離)來(lái)表示。 用于計(jì)算距離的哈勃常數(shù)等物理常數(shù)基于原論文的內(nèi)容。 最具特點(diǎn)的是包圍中心光線的u形結(jié)構(gòu)的切弧，看起來(lái)像馬的馬蹄鐵，這就是宇宙馬蹄這一愛(ài)稱(chēng)的由來(lái)。 這個(gè)u形結(jié)構(gòu)是由于引力透鏡效應(yīng)，銀河的像扭曲成了環(huán)或接近環(huán)的形狀。 這種環(huán)圈或接近環(huán)圈的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦環(huán)”。 眾所周知，宇宙中的馬蹄是發(fā)現(xiàn)時(shí)外觀大小最大的愛(ài)因斯坦環(huán)。 但是這次的主角是不顯眼的雕像——輻射弧和位于中心部的LRG 3-757。 輻射弧分裂為緊鄰重力源LRG 3-757的部分和遠(yuǎn)離重力源的部分。 這種結(jié)構(gòu)不僅受LRG 3-757主體的影響，還受位于其中心的黑洞的重力影響較大，因此對(duì)黑洞質(zhì)量的推測(cè)有很大影響。

Melo-Carneiro等人說(shuō):“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”的攝影圖像，根據(jù)通常的計(jì)算和理論模型模擬試驗(yàn)進(jìn)行了估算，估算了重力源的質(zhì)量。 此外，利用搭載在“超大型望遠(yuǎn)鏡VLT”上的觀測(cè)裝置“muse ( multi unit spectroscopic explorer )”進(jìn)行了追加觀測(cè)，觀測(cè)了位于LRG 3-757的恒星的運(yùn)動(dòng)速度。 這次的觀測(cè)顯示恒星的運(yùn)動(dòng)速度平均達(dá)到了366±6km/s。 考慮到LRG 3-757位于距離地球約57億光年的位置，該觀測(cè)精度令人震驚。 Melo-Carneiro等人根據(jù)對(duì)輻射弧圖像的分析和LRG 3-757恒星的運(yùn)動(dòng)速度，推算出位于LRG 3-757中心的黑洞的質(zhì)量約為太陽(yáng)的363億倍。 這是艾貝爾超過(guò)1201卡介苗的記錄，是用高精度的方法測(cè)量出來(lái)的最大的黑洞。 另外，黑洞相對(duì)于LRG 3-757主體的質(zhì)量大小也比其他銀河大很多。 以太陽(yáng)約363億倍的質(zhì)量計(jì)算，黑洞的直徑(事態(tài)的地平面的直徑)約為2150億km。 如果在太陽(yáng)系里，冥王星距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)(約74億公里)的14倍以上的范圍，將會(huì)被納入黑洞之中。

巨大黑洞的發(fā)現(xiàn)會(huì)變得不少見(jiàn)嗎？

推測(cè)較重的黑洞( BH )列表。 位于排行榜前列的大部分黑洞，其推測(cè)方法的由來(lái)有很大的不確定性。 ( Credit :彩惠)

這次的研究結(jié)果在能夠正確測(cè)量不活躍活動(dòng)的遠(yuǎn)方黑洞的質(zhì)量這一點(diǎn)上很重要。 由于銀河中心的黑洞大多沒(méi)有活動(dòng)，所以很多時(shí)候以輻射強(qiáng)度為基礎(chǔ)的精度不高，甚至連推測(cè)都沒(méi)有。 特別是，此次觀測(cè)到的類(lèi)似LRG 3-757的銀河，其周邊的銀河全部合并，不會(huì)再發(fā)生變化，被認(rèn)為處于銀河和黑洞的進(jìn)化的最終階段。 數(shù)以百億倍于太陽(yáng)的超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是由銀河之間的合體形成的。 到達(dá)這個(gè)進(jìn)化階段的黑洞沒(méi)有吸入物質(zhì)重新開(kāi)始活動(dòng)的希望。 因此，這次的研究在推測(cè)了至今為止無(wú)法推測(cè)的黑洞的質(zhì)量這一點(diǎn)上具有深遠(yuǎn)的意義。 而且，在LRG 3-757中發(fā)現(xiàn)的黑洞記錄可能會(huì)意外地馬上被更新。 例如，剛開(kāi)始觀測(cè)的宇宙望遠(yuǎn)鏡“歐幾里得”被認(rèn)為在今后5年中將發(fā)現(xiàn)數(shù)十萬(wàn)個(gè)引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的像。 另外，正在建設(shè)中的“歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡( E-ELT )”有望高精度地測(cè)量眾多銀河恒星的運(yùn)動(dòng)速度。 由于新望遠(yuǎn)鏡的活躍，宇宙中有巨大的黑洞咕嚕咕嚕地滾動(dòng)著吧。 參考文獻(xiàn)來(lái)源Carlos R Melo-Carneiro， et al .“unveiling a36 billion solar mass black hole at the centre of the cosmic horseshoe gravitational lens”. ( monthly notices of the royal al ) cal Society ) Sam tonk in & Robert massive black hole ever discovered ' is detected.( royal astronomical society )