大薩索科學研究所（Gran Sasso Science Institute）研究員曼努埃爾-阿爾卡-塞達（Manuel Arca Sedda）領導的一項最新研究發表在《皇家天文學會月刊》（MNRAS）上，揭示了神秘的中等質量黑洞（IMBHs）的形成機制。這些天體的質量介於數百到數萬個太陽質量之間，可能代表它們較小的親戚–恆星黑洞和星系中心的超大質量巨洞之間的聯繫。

黑洞的光譜

事實上，黑洞有不同的類型：雖然它們的密度都很高，甚至光也無法逃脫它們的引力，但這些天體的質量可以在很大的範圍內變化，並區分它們的形成機制。我們可以確定三個具有天文學意義的宏觀類別：恆星型、中間型和超大質量型。

顧名思義，前者是由一顆質量足夠大（即質量至少是太陽的20 倍）的恆星耗盡燃料，在引力的作用下坍縮到自身內部而形成的：它們代表了最輕的黑洞類型，我們對其形成過程已經有了清晰的理論認識。

與之相對的極端是巨大的超大質量黑洞，其質量是我們恆星的數百萬或數十億倍。據信，每個星系的中心都有一個超大質量黑洞，而在2019 年，由於地平線事件望遠鏡的幫助，我們首次獲得了其中一個超大質量黑洞的直接圖像。

儘管取得了這一巨大成就，但這些天體的形成和吸積對現代天文學來說仍然是一個引人入勝的謎團，這主要是由於缺乏確切的證據來證明中質量黑洞的存在。而這正是阿卡-塞達的研究主題，也是目前正在審查的另外兩項研究中的第一項。

圖片描述的是DRAGON-II模擬計算出的模擬恆星簇。橙色和黃色圓點代表類太陽恆星，藍色圓點代表質量為太陽質量20 到300 倍的恆星。中心的白色大物體代表一顆質量約350 個太陽質量的恆星，它很快就會坍縮形成一個中等質量的黑洞。圖片來源： M. Arca Sedda (GSSI)

難以捉摸的中質量黑洞

“中等質量黑洞很難觀測，”GSSI 的研究人員解釋說，”目前的觀測極限無法讓我們對質量在1,000 至10,000 太陽質量之間的IMBH 群體做出任何判斷，而且它們在可能的形成機制方面也讓科學家們感到頭痛”。

研究的目標之一正是試圖了解這些黑洞是如何形成的。”我們已經建立了新的電腦模型，可以模擬這些神秘天體的形成過程。我們發現，這種IMBH 可以透過三種因素的複雜組合在星團中形成：比太陽大得多的恆星之間的合併、恆星物質對恆星黑洞的吸積，以及恆星黑洞之間的合併。”阿爾卡-塞達解釋說：”後者是導致通過探測引力波’看到’這些現象的可能性的一個過程。”

這項研究也假設了中間黑洞誕生後的情況：它們透過複雜的引力相互作用或由於一種被稱為相對論反沖的過程而被甩出自己的星團，從而阻止了它們的進一步生長。

從DRAGON-II 模擬中拍攝的快照放大圖，該模擬是對擁有多達100 萬顆恆星的密集星團的建模。橙色和黃色圓點代表類太陽恆星，藍色圓點代表質量是太陽20 到300 倍的恆星。中心的白色大物體代表一顆質量約350 個太陽質量的恆星，它很快就會坍縮形成一個中等質量的黑洞。資料來源：M. Arca Sedda (GSSI)

「我們的模型顯示，雖然IMBH種子是在星團中高能量恆星相互作用下自然形成的，但它們的重量不太可能超過幾百個太陽質量，除非母星團的密度或質量極大。”

然而，一個重要的科學謎團尚待解答：中間黑洞是否代表恆星黑洞和超大質量黑洞之間的連結。這是一個懸而未決的問題，但這項研究提供了一些猜測的空間。

阿卡-塞達解釋說：”我們需要兩個要素才能更好地澄清問題，一個或多個過程能夠在IMBH的質量範圍內形成黑洞，以及在宿主環境中保留這種IMBH的可能性。我們的研究對第一項內容提出了嚴格的限制，讓我們對哪些過程可能有助於IMBH的形成有了清晰的認識。在未來，考慮包含更多雙星（由兩顆恆星相互繞行組成的系統）的更大質量星團，可能也是獲得第二個要素的關鍵。但這需要從技術和計算角度做出巨大努力”。

編譯自/ scitechdaily