发现罕见的中等尺度的黑洞吞噬恒星

译者 | 无穷的探索

新的研究或能解决黑洞失踪的“人口问题”，这一问题被认为是大型黑洞形成的关键。

在这幅艺术家的构思中，一颗迷路的恒星因为太靠近一个超大质量黑洞，最终在一场被称为潮汐瓦解事件的壮丽灯光秀中结束其生命。NASA/JPL-CALTECH

黑洞在中等尺度大小上有一个明显的缺口。天文学家已经发现几十个小黑洞和几十个巨大黑洞，但中等尺度的黑洞却屈指可数。

现在科学家们已经在这堆黑洞里又添加了一个潜在的中等尺度黑洞，这个黑洞十分饥饿：天文学家在一个遥远的矮星系中发现这头宇宙猛兽正在吞噬一颗恒星，并喷射出明亮耀眼的碎片。如果能通过这种方法发现更多这样的邋遢吃货，这就能加强一个长期存在的理论：中等尺度黑洞是会成长成为超大尺度黑洞的种子。

知道有多少矮星系里有中等尺度黑洞“将会是个突破”，未参与此项研究的哈佛大学天文学家Igor Chilingarian说：“这一发现不仅可以回答黑洞种子问题，而且还有助于理解星系的形成。”

这次发现的这个中等尺度黑洞是年轻超新星实验（YSE）的附带产物。YSE（the Young Supernova Experiment）是天文学家的一个合作项目，初始目的是寻找那些在生命终结时爆炸的恒星。研究团队利用在夏威夷的泛星计划（Pan-STARRS），一对1.8米的望远镜，每隔几天来观察同一片星空，希望在超新星爆炸的最初几小时或几天内就能发现它。

但在2020年6月，天文学家在他们的网络中发现了别的东西：10亿光年外的一个矮星系里有一个急速变亮的物体。“我们非常非常幸运，”来自哥本哈根大学的主要作者Charlotte Angus说，“我们正好碰上了”。他们将其命名为AT 2020neh，并利用几个地基望远镜以及哈勃望远镜继续观察这个物体。它的光度曲线（亮度随时间变化）在13天后达到顶峰，然后开始慢慢下降。

其光度曲线的形状和光谱特征不符合超新星的模式，看起来似乎更像是一次潮汐瓦解事件（TDE）。当一个含有几百万甚至几十亿个太阳质量的巨型黑洞撕裂一颗恒星，消耗这颗恒星的一部分并以明亮的过热电弧喷射其剩余部分时，TDE灯光秀就开始了。

但这一物体达到其峰值亮度所需的时间比典型的TDE要快两倍多。理论物理学家建立的此类事件的模型表明，较小的黑洞会产生快速峰值TDE。研究团队利用这样的模型计算表明，AT 2020neh的光度曲线是由一个太阳质量介于十万到一百万之间的黑洞所造成的，他们在今天的《自然·天文》里报道了这一研究。“我会说这是最可能的情形，” Chilingarian说，“要百分之百确认此类事件，我们还所知甚少”。

天文学家们相信一个正常尺度星系在其中心处有一个超大质量黑洞。但对矮星系而言，比如发现AT 2020neh的这个矮星系，是否都拥有中等尺度黑洞，这个问题尚无答案。因为矮星系比较小而且暗淡，“它们很难被发现”，Angus说。

因为中等尺度黑洞具有明显中等尺度TDE，YSE的科学家们幸运地用一种新方法发现矮星系里的中等尺度黑洞。如果他们能发现足够数量的此类样本，他们或许能发现星系中心处的黑洞会随着星系的生长而生长，这种情形已经在巨大星系中发现了。如果从矮星系到大星系都有这种关系，那就可以支持这样一个理论，即：星系是通过较小星系之间的合并而变大，而不是由一块巨大的气体云合并而成。星系是如何形成并且成长的这是天文物理学里的大问题之一，天文学家希望新的更眼尖的太空望远镜，比如最近刚升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，能有助于解决这一问题。

目前看来年轻超新星实验（YSE）项目对这项研究只能有比较小的贡献，Angus估计YSE或许只能发现更多几个矮星系的潮汐瓦解事件。但拥有8.4米镜面望远镜的鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）将于明年开始工作，它有能力看向更广更深的太空。鲁宾天文台的这架望远镜预计在未来十年里能发现80,000个潮汐瓦解事件，所以其前景非常看好。

原文链接：https://www.science.org/content/article/rare-midsize-black-hole-caught-devouring-star​​​​