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黑洞被误认的案例

天文学家们发现了一种正在成长的特大质量黑洞伪装成另一种,这多亏了包括美国宇航局钱德拉x射线天文台在内的一系列望远镜。这些黑洞的真实身份有助于解开天体物理学中一个长期存在的谜团。

这些被错误识别的黑洞来自一项名为“钱德拉深场-南”(CDF-S)的调查,这是迄今为止拍摄的最深的x射线图像。

超大质量的黑洞通过吸引周围物质而成长,这些物质被加热后会产生包括x射线在内的各种波长的辐射。许多天文学家认为,这种增长包括一个发生在数十亿年前的阶段,当时一个由尘埃和气体组成的致密茧覆盖了大多数黑洞。这些材料的茧是使黑洞生长和产生辐射的燃料来源。

根据天文学家目前掌握的图片,许多黑洞沉浸在这样一个茧(被称为“严重模糊”黑洞)应该存在。然而,这种不断增长的黑洞是出了名的难以发现,直到现在,观测到的黑洞数量也没有达到预期的数量——即使在像CDF-S这样的最深处的图像中也是如此。

领导这项研究的马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学(JHU)的艾瑞尼·兰布里底(Erini Lambrides)说:“通过我们的新发现,我们发现了许多以前被遗漏的被严重遮挡的黑洞。”“我们喜欢说我们发现了这些巨大的黑洞,但它们其实一直就在那里。”

最新的研究结合了钱德拉在CDF-S上超过80天的观测时间,以及来自其他天文台(包括NASA的哈勃太空望远镜和NASA的斯皮策太空望远镜)不同波长的大量数据。该团队观察了距离地球50亿光年或更远的黑洞。在这么远的距离上,科学家们已经发现了67个高度模糊、不断扩大的黑洞,这些黑洞在CDF-S中同时拥有x射线和红外数据。在这项最新的研究中,作者又发现了另外28个。

这28个超大质量的黑洞以前被分成了不同的类别——要么是缓慢成长的低密度黑洞,要么是不存在茧的黑洞,要么是遥远的星系。

“这可能被认为是一个错误的黑洞身份的案例,”马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的合著者马尔科·奇亚伯奇说,“但是这些黑洞非常善于隐藏它们到底是什么。”

Lambrides和她的同事们将他们的数据与一个典型的正在成长的黑洞的预期进行了比较。利用除了x射线以外的所有波长的数据,他们预测了每个黑洞应该探测到的x射线的数量。研究人员从28个来源中发现了比他们预期的低得多的x射线,这意味着它们周围的茧的密度大约是科学家之前估计的10倍。

考虑到茧状星云的高密度,研究小组发现,被错误识别的黑洞产生的x射线比之前认为的要多,但致密的茧状星云阻止了大部分x射线逃逸并到达钱德拉望远镜。这意味着它们的增长速度更快。

之前的研究小组没有采用Lambrides和她的团队所采用的分析技术,也没有使用CDF-S的全套可用数据,因此他们对茧的密度几乎一无所知。

这些结果对于估算宇宙中黑洞数量及其生长速率的理论模型非常重要,包括那些具有不同遮蔽程度的黑洞(换句话说,它们的茧的密度)。科学家们设计这些模型是为了解释在天空中均匀的x射线,这被称为“x射线背景”,最早发现于20世纪60年代。在像CDF-S这样的图像中观察到的单个成长中的黑洞占据了x射线背景的大部分。

目前还没有分解成单独的x射线源的x射线的能量超过了钱德拉能探测到的阈值。被严重遮挡的黑洞是这一尚未解决的组成部分的自然解释,因为较低能量的x射线比高能量的x射线更容易被茧吸收,因此不易被探测到。这里报道的额外的严重模糊的黑洞有助于调和过去理论模型和观测之间的差异。

来自意大利博洛尼亚国家天体物理研究所(INAF)的合著者罗伯托·吉利说:“这就像x射线背景是一张模糊的图片,几十年来慢慢地聚焦在一起。”“我们的工作包括理解那些最后被解决的物体的本质。”

除了有助于解释x射线背景外,这些结果对于理解超大质量黑洞及其宿主星系的演化也很重要。星系和超大质量黑洞的质量是相互关联的,也就是说星系质量越大,黑洞质量也越大。

一篇报告这项研究结果的论文发表在《天体物理学杂志》上。论文的其他作者是JHU的Timothy Heckman;智利天主教大学的法比奥·维托(圣地亚哥);还有来自JHU的科林·诺曼。

美国宇航局的马歇尔太空飞行中心管理着钱德拉计划。史密森天文物理天文台的钱德拉x射线中心在马萨诸塞州的剑桥和伯灵顿控制着科学和飞行操作。

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