这张插图显示了来自恒星的发光物质流，在被超大质量黑洞吞噬时被撕成碎片。 喂食黑洞被一圈尘埃包围，就像蹒跚学步的孩子的盘子被饭后的面包屑包围一样。 图片来源：NASA/JPL-Caltech
亚利桑那大学的天文学家分析 X 射线耀斑的观测结果并将数据与理论模型拟合，记录了一颗不幸的恒星与中等质量恒星之间的致命遭遇 黑洞.
虽然黑洞和蹒跚学步的孩子似乎没有太多共同点，但它们在一个方面非常相似：两者都是杂乱无章的食客，这产生了充分的证据表明发生了一顿饭。
但是，虽然一个人可能会留下意大利面或酸奶飞溅的粪便，但另一个人会产生令人难以置信的比例后果。 当一个黑洞吞噬一颗恒星时，它会产生天文学家所说的“潮汐破坏事件”。 这颗倒霉恒星的粉碎伴随着辐射的爆发，它可以在数月甚至数年的时间内超过黑洞宿主星系中每颗恒星的组合光。
在发表在纸 天体物理学杂志由亚利桑那大学斯图尔特天文台的博士后研究员温思翔领导的天文学家团队利用称为 J2150 的潮汐破坏事件发出的 X 射线对黑洞的质量和自旋进行了首次测量。 这个黑洞是一种特殊的类型——中等质量的黑洞——长期以来一直没有被观察到。
“我们能够在它吞噬一颗恒星的同时捕捉到这个黑洞，这一事实提供了一个绝佳的机会来观察原本看不见的东西，”UArizona 天文学教授、该论文的合著者 Ann Zabludoff 说。 “不仅如此，通过分析耀斑，我们能够更好地理解这一难以捉摸的黑洞类别，这很可能是星系中心黑洞的主要组成部分。”
通过重新分析用于观察 J2150 耀斑的 X 射线数据，并将其与复杂的理论模型进行比较，作者表明，这种耀斑确实起源于一颗不幸的恒星和一个中等质量黑洞的相遇。 所讨论的中间黑洞的质量特别低——对于一个黑洞来说——重量大约是太阳质量的 10,000 倍。
“死星碎片形成的内盘发出的X射线使我们有可能推断出这个黑洞的质量和自旋，并将其归类为中间黑洞，”温说。
当一颗恒星离黑洞太近时，引力会产生强烈的潮汐，将恒星分裂成一股气流，从而导致一种被称为潮汐破坏事件的灾难性现象。 大量的能量被释放出来，在某些情况下会引起潮汐破坏，使其银河系更加耀眼。 图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Chris Smith (USRA/GESTAR)
在拥有超大质量黑洞的大型星系中心已经观察到了数十次潮汐破坏事件，在可能含有中等黑洞的小星系中心也观察到了少数事件。 然而，过去的数据从未足够详细地证明单个潮汐中断耀斑是由中间黑洞驱动的。
“多亏了现代天文观测，我们知道几乎所有大小与我们相似或更大的星系的中心 银河 主持中央超大质量黑洞，”研究合著者、耶路撒冷希伯来大学高级讲师尼古拉斯·斯通说。 “这些庞然大物的大小从我们太阳质量的 1 万到 10 亿倍不等，当过多的星际气体落入它们附近时，它们就会成为强大的电磁辐射源。”
这些黑洞的质量与其宿主星系的总质量密切相关。 最大的星系拥有最大的超大质量黑洞。
“我们仍然对在比银河系更小的星系中心存在黑洞知之甚少，”荷兰拉德布德大学和 SRON 荷兰空间研究所的合著者彼得·容克说。 “由于观测限制，要发现远小于 1 万太阳质量的中心黑洞具有挑战性。”
琼克说，尽管超大质量黑洞的数量被认为是丰富的，但它们的起源仍然未知，目前许多不同的理论都在争相解释它们。 中等质量黑洞可能是超大质量黑洞生长的种子。
“因此，如果我们能够更好地了解有多少真正的中间黑洞存在，它可以帮助确定哪些超大质量黑洞形成的理论是正确的，”他说。
根据 Zabludoff 的说法，更令人兴奋的是该小组能够获得的 J2150 自旋的测量结果。 自旋测量提供了关于黑洞如何生长的线索，也可能是粒子物理学的线索。
Zabludoff 解释说，这个黑洞的自旋速度很快，但不是可能的最快自旋，并提出了黑洞如何最终在这个范围内旋转的问题。
“有可能这个黑洞是这样形成的，并且从那以后没有太大变化，或者两个中等质量的黑洞最近合并形成了这个，”她说。 “我们确实知道，我们测量的自旋排除了黑洞因稳定食用气体或许多从随机方向到达的快速气体零食而长时间增长的情况。”
此外，自旋测量允许天体物理学家检验关于暗物质性质的假设，暗物质被认为是宇宙中大部分物质的组成部分。 暗物质可能由尚未在实验室实验中看到的未知基本粒子组成。 斯通解释说，候选粒子中有被称为超轻玻色子的假设粒子。
“如果这些粒子存在并且质量在一定范围内，它们将阻止中等质量黑洞快速旋转，”他说。 “然而，J2150 的黑洞正在快速旋转。 因此，我们的自旋测量排除了一大类超轻玻色子理论，展示了黑洞作为外星实验室粒子物理学的价值。”
作者希望，在未来，对潮汐破坏耀斑的新观测可能会让天文学家填补黑洞质量分布的空白。
“如果事实证明大多数矮星系都包含中等质量的黑洞，那么它们将主导恒星潮汐破坏的速度，”斯通说。 “通过将这些耀斑的 X 射线发射拟合到理论模型，我们可以对宇宙中的中等质量黑洞种群进行普查，”温补充道。
然而，要做到这一点，必须观察到更多的潮汐破坏事件。 这就是为什么天文学家对即将在地球和太空中上线的新望远镜寄予厚望的原因，包括 Vera C. Rubin 天文台，也被称为时空遗产调查，或 LSST，预计将发现数千个潮汐每年的中断事件。
参考：“潮汐中断事件 3XMM J215022.4-055108 中中等质量黑洞的质量、自旋和超轻玻色子约束”，作者：Sixiang Wen、Peter G. Jonker、Nicholas C. Stone 和 Ann I. Zabludoff，6 2021 年 XNUMX 月， 天体物理学杂志.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac00b5
这项研究得到了来自 美国航空航天局 和美国-以色列两国科学基金会。
