矮星系中新發現的黑洞揭示了我們銀河系超大質量黑洞的起源。由UNC-Chapel Hill物理和天文學系的天文學家領導的一個研究小組發現了一個以前被忽視的矮星系中大質量黑洞的寶庫。這些新發現的黑洞讓人們看到了我們銀河系中心的超大質量黑洞的生命故事。

隱藏在眾目睽睽之下

作為一個巨大的螺旋星系，銀河係被認為是由許多較小的矮星系合併而成。如在南部天空中看到的麥哲倫雲是矮星系，它們將合併到銀河系中。每一個落入的矮星都可能帶來一個中央大質量黑洞，其質量是我們太陽的幾萬或幾十萬倍，並可能注定要被銀河系的中央超大質量黑洞吞噬。

但矮星系包含一個大質量黑洞的頻率是未知的，這給我們對黑洞和星系如何共同成長的理解留下了一個關鍵的空白。2022年5月24日發表在《Astrophysical Journal》上的新研究有助於填補這一空白，它揭示了大質量黑洞在矮星系中比以前想像的要常見許多倍。

“這個結果真的讓我大吃一驚，因為這些黑洞以前是隱藏在眾目睽睽之下的，”該研究的論文第一作者、物理與天文學系的博士生Mugdha Polimera說道。

發出混合信息

黑洞通常是在它們通過吞噬周圍的氣體和星塵而積極生長時被探測到的，這使得它們發出強烈的光芒。

Polimera在物理與天文學系的博士生導師、該研究的論文共同作者Sheila Kannappan教授將黑洞比作螢火蟲。他說道：”就像螢火蟲一樣，我們只有在黑洞被點亮的時候才能看到它們–當它們在成長的時候–而被點亮的黑洞給了我們一個線索，告訴我們有多少我們看不到的黑洞。”

問題是，當成長中的黑洞發出獨特的高能輻射時，年輕的新生恆星也會發光。傳統上，天文學家使用診斷測試將成長中的黑洞跟新的恆星形成區分開來，這些測試依賴於每個星系的可見光在像彩虹一樣散開的光譜中的詳細特徵。

當跟Kannappan合作的本科生試圖將這些傳統測試應用於星系調查數據時，發現之路開始了。該小組意識到，一些星係發出了混合的信息–兩項測試表明黑洞在不斷增長，但第三項測試則表明只有恆星形成。

Kannappan表示：“以前的工作只是從統計分析中拒絕了像這些模棱兩可的情況，但我有一種預感，它們可能是矮星系中未被發現的黑洞。她懷疑第三個有時是矛盾的測試比另外兩個對矮星的典型特性更敏感：它們的元素組成簡單（主要是來自大爆炸的原始氫和氦），以及它們形成新星的速度高。”

研究的論文共同作者、伊隆大學副教授Chris Richardson通過理論模擬證實了混合信息測試結果跟理論預測的原始成分、高度形成恆星的矮星系包含一個不斷增長的大質量黑洞的情況完全一致。“我的模擬結果跟Kannappan小組的發現相吻合，這讓我很興奮地去探索對星系如何演變的影響。”

對成長中的黑洞進行普查

Polimera接受了構建一個新成長中黑洞普查的挑戰，並將關注點放在了傳統和混合信息類型。她獲得了已發表的可見光光譜特徵的測量結果，以此來測試在Kannappan領導的兩個調查、RESOLVE和ECO中發現的數千個星系的黑洞。這些調查包括紫外線和無線電數據，是研究恆星形成的理想選擇，而且它們有一個不尋常的設計。大多數天文調查選擇的樣本有利於大的和明亮的星系，而RESOLVE和ECO是對當今宇宙的巨大體積的完整盤點，其中矮小的星系非常多。

Polimera說道：“對我來說，重要的是我們的黑洞搜索不偏向於矮星系。但是在查看整個普查時，我發現新類型的成長型黑洞幾乎總是出現在矮星中。當我第一次看到這些數字時，我被嚇了一跳。”

據悉，她在矮星系中發現的所有成長中的黑洞中有80%以上屬於新類型。

結果似乎太好。Polimera說道：“我們都很緊張。我腦海中出現的第一個問題是，我們是否錯過了一種方法，僅僅是極端的星體形成就可以解釋這些星系？” 據悉，她領導了一個詳盡的搜索以尋找涉及恆星形成、建模不確定性或奇異天體物理學的替代解釋。最後，研究小組被迫得出結論–新發現的黑洞是真實的。