"耀斑"与"回声"：揭开银河系核心怪兽黑洞的神秘面纱

"耀斑"与"回声"：揭开银河系核心怪兽黑洞的神秘面纱 密歇根州立大学研究员格蕾丝-桑格-约翰逊（Grace Sanger-Johnson）通过筛选十年来的 X 射线数据，从银河系中央超大质量黑洞人马座 A* 发现了九个以前未被发现的 X 射线耀斑。这张十多年前公布的 NASA 图像显示了一个 X 射线耀斑的例子。图片来源：NASA/JPL-CaltechMSU荣誉学院的本科生研究员杰克-尤特格（Jack Uteg）分析了来自黑洞附近分子云的X射线回波，从而窥探到人马座A*过去200多年的历史。密歇根州立大学的研究人员对银河系中心的超大质量黑洞有了突破性发现。他们的发现基于美国国家航空航天局（NASA）NuSTAR X射线望远镜的数据，于6月11日在美国天文学会（AAS）第244次会议上公布。由于黑洞具有强大的引力场，连光都无法逃脱，因此研究黑洞面临着独特的挑战。为了了解这些神秘的天体，科学家们通常会研究它们的引力对附近恒星的影响以及邻近气体云的辐射等指标。 NASA NuSTAR天体学家的概念图NuSTAR轨道上的艺术家概念图。资料来源：NASA/JPL-加州理工学院黑洞研究创新项目格蕾丝-桑格-约翰逊（Grace Sanger-Johnson）和杰克-尤特格（Jack Uteg）在物理与天文系助理教授张硕（Shuo Zhang）的领导下，利用天基望远镜数十年的X射线数据，找到了更多揭示这些宇宙谜团的创新方法。格蕾丝和杰克的贡献令人无比自豪，"张说。"他们的工作充分体现了密苏里大学对开拓性研究和培养下一代天文学家的承诺。这项研究是MSU科学家如何揭开宇宙秘密的最好例证，使我们更接近于理解黑洞的本质和银河系中心的动态环境。"约翰逊分析了10年来的数据，寻找银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*）的X射线耀斑，在此过程中，她发现了九个未被注意到的耀斑。这些耀斑是高能量光的剧烈爆发，为研究黑洞周围的环境提供了一个独特的机会，由于黑洞的引力惊人，人们通常看不到黑洞周围的环境。Sgr A*是距离地球最近、活动最少的超大质量黑洞，因此，来自Sgr A*及其耀斑的数据是目前已知的研究黑洞物理环境的方法之一。张说："我们正坐在前排观察银河系中心这些独特的宇宙焰火。耀斑和焰火都能照亮黑暗，帮助我们观测到平时无法观测到的东西。这就是为什么天文学家需要知道这些耀斑发生的时间和地点，这样他们就可以利用这些光来研究黑洞的环境。"桑格-约翰逊精心筛选了NuSTAR（核光谱望远镜阵列）从2015年到2024年收集的十年X射线数据，NuSTAR是NASA的天基X射线望远镜之一。研究小组说，新发现的九个耀斑都为了解黑洞的环境和活动提供了宝贵的数据："我们希望通过建立这个有关Sgr A*耀斑的数据银行，我们和其他天文学家能够分析这些X射线耀斑的特性，并推断出超大质量黑洞极端环境内部的物理条件。"而MSU荣誉学院的本科生研究员Uteg则用一种类似于聆听回声的技术研究了黑洞的活动。Uteg分析了近20年的数据，目标是Sgr A*附近被称为"桥"的巨型分子云。Uteg说："与恒星不同，星际空间中的这些气体和尘埃云不会产生自己的X射线。因此，当 X 射线望远镜开始捕捉到来自"桥"的光子时，天文学家开始假设其来源。我们看到的亮度很可能是 Sgr A* 过去 X 射线爆发的延迟反射。我们在 2008 年左右首次观测到亮度的增加。然后，在接下来的12年里，"桥"发出的X射线信号持续增加，直到2020年达到峰值亮度。"这种来自黑洞的"回波"光从Sgr A*到分子云经过了数百年的时间，然后又经过了大约2.6万年的时间才到达地球。通过分析这种X射线回波，Uteg开始重建黑洞过去活动的时间轴，提供了仅靠直接观测无法获得的洞察力，分析过程使用了来自NuSTAR以及欧洲航天局X射线多镜（XMM）牛顿空间观测站的数据。Uteg说："我们关注这个云团变亮的一个主要原因是，它能让我们确定过去Sgr A*爆发的亮度。"在这些计算中，Uteg 和 MSU 的团队确定，大约 200 年前，Sgr A* 在 X 射线中的亮度大约是我们今天看到的它的 5 个数量级。张说："这是我们第一次为我们的超大质量黑洞周围的分子云构建了一个长达24年的可变性，这个分子云已经达到了它的X射线光度峰值。它使我们能够了解到 Sgr A* 在大约 200 年前的活动情况。我们在MSU的研究团队将继续这种'天体考古游戏'，进一步揭开银河系中心的神秘面纱。"虽然引发X射线耀斑的确切机制和黑洞的精确生命周期仍然是个谜，但MSU的研究人员相信，他们的发现将引发进一步的研究，并有可能彻底改变我们对这些神秘天体的认识。Uteg和Sanger-Johnson得到了NASA NuSTAR客座观测计划的支持。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

耀眼的超大质量黑洞对周围环境的影响并没有达到人们的预期

耀眼的超大质量黑洞对周围环境的影响并没有达到人们的预期 包括艾伯利家族天文学和天体物理学讲座教授、宾夕法尼亚州立大学物理学教授 W. Niel Brandt 在内的研究小组在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上发表了一篇介绍这些成果的论文。这项研究利用美国国家航空航天局钱德拉 X 射线天文台（NASA's Chandra X-ray Observatory）的数据，研究了距离地球最近的一颗类星体。这颗类星体被称为 H1821+643，距离地球约 34 亿光年，位于一个星系团中。类星体是一类罕见而极端的超大质量黑洞，它们疯狂地向内拉扯物质，产生强烈的辐射，有时还会产生强大的喷流。Brandt说："我一直希望利用钱德拉的敏锐视力更好地研究这颗非凡的类星体。我怀疑这个类星体的"叫声"比它的"咀嚼声"更可怕也就是说，它令人印象深刻的烟火表演并不意味着它对环境也有同样深刻的影响。我很高兴我们坚定的决心最终得到了回报，证实了我的猜测！"这张图片的中心是类星体 H1821+643，这是一个快速增长的超大质量黑洞，天文学家发现，尽管它产生了强烈的辐射，并且从甚大阵列的射电数据（红色）中可以看到粒子喷流，但它的表现并不尽如人意。H1821+643 位于一个星系团的中央，周围环绕着大量炽热的气体，蓝色是钱德拉望远镜通过 X 射线探测到的。类星体周围热气的高温和高密度表明，这个黑洞对其宿主星系的影响比其他星系团中的许多同类黑洞要弱。H1821+643是星系团中距离地球最近的类星体。它距离地球 34 亿光年，在类星体的距离上，图像的宽度约为 100 万光年。图片来源：X射线NASA/CXC/Univ. of Nottingham/H.Russell et al：NSF/NRAO/VLA；图像处理：NASA/CXC/SAO/N.Wolk大多数成长中的超大质量黑洞吸积物质的速度都不如类星体快。天文学家通过观测星系团中心的黑洞，研究了这些更常见黑洞的影响。这类黑洞的定期爆发会阻止它们所蕴含的大量过热气体冷却下来，从而限制了宿主星系中恒星的形成数量，以及有多少燃料被输送到黑洞中。至于星系团中的类星体对其周围环境的影响有多大，我们就知之甚少了。领导这项新研究的英国诺丁汉大学的海伦-拉塞尔（Helen Russell）说："我们发现，我们研究中的类星体似乎已经放弃了生长较慢的黑洞所施加的大部分控制。黑洞的胃口与其影响力并不匹配"。"为了得出这一结论，研究小组利用钱德拉望远镜对H1821+643及其宿主星系所笼罩的高温气体进行了研究。然而，由于类星体发出的X射线很亮，因此很难研究热气体发出的较弱的X射线。哈佛大学天体物理学中心和史密森尼学会的合著者保罗-努尔森说："我们必须小心翼翼地去除X射线眩光，以揭示黑洞的影响。然后我们就可以看到，它实际上对周围环境的影响很小。"气体动力学和对未来的影响研究小组发现，星系中心黑洞附近的气体密度要比较远区域的气体密度高得多，气体温度也低得多。科学家们预计，当几乎没有能量源（通常是黑洞爆发的能量）阻止高温气体冷却并流向星系团中心时，高温气体就会有这样的表现。"与星系团中心的大多数其他黑洞相比，这个巨型黑洞产生的热量要少得多，"合著者、英国开放大学的露西-克莱斯说，"这使得高温气体能够迅速冷却下来，形成新的恒星，同时也成为黑洞的燃料源。"研究人员确定，每年相当于太阳质量约3000倍的热气体正在冷却，以至于在X射线中已经看不到了。这种快速冷却可以轻松地为宿主星系中每年观察到的120个太阳质量的新恒星的形成提供足够的物质，也可以为黑洞每年消耗的40个太阳质量的恒星提供足够的物质。研究小组还研究了类星体的辐射直接导致星团高温气体冷却的可能性。这涉及到类星体发出的光子与高温气体中的电子发生碰撞，导致光子能量增加，电子失去能量而冷却下来。研究小组的研究表明，在包含 H1821+643 的星团中很可能发生了这种冷却，但这种冷却太微弱，无法解释所看到的大量气体冷却。合著者、诺丁汉大学的托马斯-布拉本（Thomas Braben）说："虽然这个黑洞可能因为没有向其环境中注入热量而表现不佳，但目前的状态很可能不会永远持续下去。最终，黑洞的快速燃料摄入应该会增加其喷流的功率，并强烈加热气体。届时，黑洞及其星系的增长速度应该会大幅放缓"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因 在距离地球 8 亿光年的一个星系中，有一个超大质量黑洞，在 2020 年 12 月之前，它一直保持着相对安静的状态。当时，天文学家在电磁波谱的 X 射线部分探测到了一个微弱的"光"爆发。这次爆发的间隔异常规律，每隔 8.5 天就会出现一次。研究这一案例的国际天文学家小组认为，这一奇特现象类似于某种宇宙"打嗝"。最新发表的一项研究解释说，这些周期性的"打嗝"现象很可能是由两个黑洞相互绕行造成的，其中较小的奇点与位于遥远星系中心的超大质量黑洞的吸积盘发生碰撞。麻省理工学院研究科学家、论文合著者Dheeraj"DJ"Pasham指出，国际空间站上的NICER（中子星内部成分探测器）X射线望远镜在研究这些宇宙"小嗝"的发生过程中发挥了至关重要的作用。帕沙姆利用分配给他的时间将望远镜对准了发射 X 射线暴的星系。在收集了四个月的数据后，研究人员观察到高能辐射的下降周期为 8.5 天。帕沙姆说："这几乎就像一颗恒星的亮度在一颗行星穿过它的前方时会变暗一样，但在这种情况下，整个星系的亮度都受到了影响。"受捷克物理学家发表的关于超大质量黑洞有一个较小的轨道伴星的理论启发，帕沙姆利用自己通过NICER天文台收集的数据进行了模拟。数据支持了这一理论，但2020年12月突然出现的X射线暴之谜仍未解开。研究人员现在认为，这些光爆是由"潮汐破坏事件"（TDE）引起的。"潮汐破坏事件"是一场宇宙大灾难，涉及一颗恒星被黑洞的引力拉扯，然后被撕成碎片。TDE提供了足够的物质来丰富超大质量黑洞周围微弱的吸积盘，而吸积盘又受到穿过吸积盘的较小黑洞的干扰。帕沙姆现在认为，这些不寻常的双黑洞系统可能是宇宙中相对常见的现象。 ... PC版： 手机版：

中质量黑洞是如何形成的?

中质量黑洞是如何形成的? 黑洞的光谱事实上，黑洞有不同的类型：虽然它们的密度都很高，甚至光也无法逃脱它们的引力，但这些天体的质量可以在很大的范围内变化，并区分它们的形成机制。我们可以确定三个具有天文学意义的宏观类别：恒星型、中间型和超大质量型。顾名思义，前者是由一颗质量足够大（即质量至少是太阳的 20 倍）的恒星耗尽燃料，在引力的作用下坍缩到自身内部而形成的：它们代表了最轻的黑洞类型，我们对其形成过程已经有了清晰的理论认识。与之相对的极端是巨大的超大质量黑洞，其质量是我们恒星的数百万或数十亿倍。据信，每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，而在 2019 年，由于地平线事件望远镜的帮助，我们首次获得了其中一个超大质量黑洞的直接图像。尽管取得了这一巨大成就，但这些天体的形成和吸积对现代天文学来说仍然是一个引人入胜的谜团，这主要是由于缺乏确切的证据来证明中质量黑洞的存在。而这正是阿卡-塞达的研究课题，也是目前正在审查的另外两项研究中的第一项。图片描述的是DRAGON-II模拟计算出的模拟恒星簇。橙色和黄色圆点代表类太阳恒星，蓝色圆点代表质量为太阳质量 20 到 300 倍的恒星。中心的白色大物体代表一颗质量约为 350 个太阳质量的恒星，它很快就会坍缩形成一个中等质量的黑洞。图片来源： M. Arca Sedda (GSSI)难以捉摸的中质量黑洞"中等质量黑洞很难观测，"GSSI 的研究人员解释说，"目前的观测极限无法让我们对质量在 1,000 至 10,000 太阳质量之间的 IMBH 群体做出任何判断，而且它们在可能的形成机制方面也让科学家们感到头疼"。研究的目标之一正是试图了解这些黑洞是如何形成的。"我们已经建立了新的计算机模型，可以模拟这些神秘天体的形成过程。我们发现，这种 IMBH 可以通过三种因素的复杂组合在星团中形成：比太阳大得多的恒星之间的合并、恒星物质对恒星黑洞的吸积，以及恒星黑洞之间的合并。"阿尔卡-塞达解释说："后者是导致通过探测引力波'看到'这些现象的可能性的一个过程。"这项研究还假设了中间黑洞诞生后的情况：它们通过复杂的引力相互作用或由于一种被称为相对论反冲的过程而被甩出自己的星团，从而阻止了它们的进一步生长。从 DRAGON-II 模拟中拍摄的快照放大图，该模拟是对拥有多达 100 万颗恒星的密集星团的建模。橙色和黄色圆点代表类太阳恒星，蓝色圆点代表质量是太阳 20 到 300 倍的恒星。中心的白色大物体代表一颗质量约为 350 个太阳质量的恒星，它很快就会坍缩形成一个中等质量的黑洞。资料来源：M. Arca Sedda (GSSI)"我们的模型显示，虽然IMBH种子是在星团中高能恒星相互作用下自然形成的，但它们的重量不太可能超过几百个太阳质量，除非母星团的密度或质量极大。"然而，一个重要的科学谜团尚待解答：中间黑洞是否代表恒星黑洞和超大质量黑洞之间的联系。这是一个悬而未决的问题，但这项研究提供了一些猜测的空间。阿卡-塞达解释说："我们需要两个要素才能更好地澄清问题，一个或多个过程能够在IMBH的质量范围内形成黑洞，以及在宿主环境中保留这种IMBH的可能性。我们的研究对第一项内容提出了严格的限制，让我们对哪些过程可能有助于IMBH的形成有了清晰的认识。在未来，考虑包含更多双星（由两颗恒星相互绕行组成的系统）的更大质量星团，可能也是获得第二个要素的关键。但这需要从技术和计算角度做出巨大努力"。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

天文学家获得NASA资金支持 将跟踪超大质量黑洞合并产生的电磁信号

天文学家获得NASA资金支持 将跟踪超大质量黑洞合并产生的电磁信号 RIT 数学与统计学院特聘教授兼计算相对论与引力中心主任 Manuela Campanelli 将在数学与统计学院教授 Yosef Zlochower 的帮助下领导该合作项目。该项目还将包括来自爱达荷大学、约翰霍普金斯大学和戈达德太空飞行中心的研究人员。研究小组将把天体物理学知识与最先进的模拟相结合，研究双黑洞系统周围的气体流动。这些模拟的主要目标是准确预测与这些双黑洞相关的光信号，这对于识别和理解这些神秘的宇宙事件至关重要。这些发现将为星系的形成和演化提供有价值的见解，并为天文学的进步做出重大贡献。RIT 的科学家获得了美国国家航空航天局（NASA）的资助，通过创建有助于识别和理解宇宙事件的高级模拟来研究超大质量黑洞。这幅可视化作品是该团队早期工作的一部分。资料来源：Lorenzo Ennoggi 和 Jay Kalinani/RIT坎帕内利解释说："这个项目旨在推动我们对在合并星系核心相互螺旋撞击的超大质量黑洞的理解向前迈进一大步。我们团队的综合专业知识将为新发现铺平道路。"这项研究将对理解宇宙演化产生深远影响，并将在识别和定位超大质量黑洞双星方面发挥关键作用。先进的模拟和世界上最大的超级计算机将为研究提供支持。洛伦佐-恩诺吉（Lorenzo Ennoggi）是天体物理科学与技术专业的博士生，他也是 RIT 团队的一员。恩诺吉说："我们已经开发出所有必要的工具来进行这些极具挑战性的模拟，我们已经准备好开始调查。这是一个尚未开发的领域，因此无论我们发现什么，都将是全新的。"研究星系碰撞时黑洞是如何合并的，将有助于科学家进一步了解星系是如何形成和演化的。通过重点研究气体和物质在星系合并的不同阶段被吸入黑洞时的行为，研究小组的目标是创建迄今为止最准确、最真实的光信号预测。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

韦伯望远镜探测到迄今发现最远的活跃超大质量黑洞

韦伯望远镜探测到迄今发现最远的活跃超大质量黑洞 科学家们利用韦伯望远镜对GN-z11进行研究，还发现了一些诱人的证据，证明在这个偏远星系的外围存在着群体III恒星。这些难以捉摸的恒星是宇宙中第一批发光的恒星，纯粹由氢和氦组成。虽然从未对这类恒星进行过明确的探测，但科学家们知道它们一定存在。现在，有了韦伯望远镜，发现它们似乎比以往任何时候都更接近了。这幅由韦伯的近红外相机（NIRCam）仪器拍摄的图像显示了 GOODS-North 星系场的一部分。右下方的拉线突出显示了GN-z11星系，它出现的时间距离宇宙大爆炸刚刚过去4.3亿年。图像显示了一个延伸部分，追踪着 GN-z11 宿主星系，以及一个中心源，其颜色与黑洞周围吸积盘的颜色一致。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Brant Robertson（加州大学圣克鲁兹分校）、Ben Johnson（剑桥大学天文学院）、Sandro Tacchella（剑桥大学）、Marcia Rieke（亚利桑那大学）、Daniel Eisenstein（剑桥大学天文学院）美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的两个研究小组深入时空，研究了异常明亮的星系 GN-z11。这个星系最初是由美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜探测到的，它是迄今为止观测到的最年轻、最遥远的星系之一，它是如此明亮，以至于科学家们都很难理解其中的原因。现在，GN-z11 透露了它的一些秘密。一个利用韦伯望远镜研究 GN-z11 的小组发现了第一个明确的证据，证明该星系的中央有一个超大质量黑洞，正在快速吸积物质。他们的发现使这个星系成为迄今为止发现的最远的活跃超大质量黑洞。英国剑桥大学卡文迪什实验室和卡弗里宇宙学研究所的首席研究员罗伯托-马约利诺解释说："我们发现了超大质量黑洞附近常见的极致密气体。这些是GN-z11所在的黑洞正在吞噬物质的第一个明确信号。"利用韦伯望远镜，研究小组还发现了通常在吸积型超大质量黑洞附近观测到的电离化学元素的迹象。此外，他们还发现该星系正在释放出一股非常强大的风。这种高速风通常是由与剧烈吸积的超大质量黑洞相关的过程驱动的。同样来自卡文迪什实验室和卡弗里研究所的研究人员汉娜-于布勒（Hannah Übler）说："韦伯的近红外相机（NIRCam）发现了一个延伸部分，它追踪着宿主星系，以及一个中央紧凑源，其颜色与黑洞周围吸积盘的颜色一致。"这些证据共同表明，GN-z11 内有一个 200 万太阳质量的超大质量黑洞，它正处于吞噬物质的非常活跃阶段，这也是它如此明亮的原因。第二个小组也是由马约利诺领导的，他们利用韦伯望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec），在围绕着GN-z11的光环中发现了一个气态氦团。马约利诺说："除了氦之外，我们看不到其他任何东西，这表明这个团块一定是相当原始的。这是理论和模拟在这些时代特别大质量星系附近所预料到的在光晕中应该有原始气体的小块存留，这些气体可能会坍缩并形成群体III星团。"寻找前所未见的第三族群恒星几乎完全由氢和氦形成的第一代恒星是现代天体物理学最重要的目标之一。这些恒星预计质量很大、光度很强、温度很高。它们的预期特征是存在电离氦，而不存在比氦重的化学元素。第一批恒星和星系的形成标志着宇宙历史的根本性转变，在此期间，宇宙从黑暗和相对简单的状态演变成我们今天看到的高度结构化和复杂的环境。在未来的韦伯观测中，Maiolino、Übler 和他们的团队将对 GN-z11 进行更深入的探索，并希望加强对可能正在其光环中形成的 Population III 恒星的研究。《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）已接受发表关于GN-z11光环中原始气体团块的研究成果。对GN-z11黑洞的研究结果于2024年1月17日发表在《自然》杂志上。这些数据是作为JWST高级深河外星系巡天（JADES）的一部分获得的，JADES是NIRCam和NIRSpec团队的一个联合项目。詹姆斯-韦伯太空望远镜是世界上最重要的太空科学观测站。韦伯正在揭开太阳系的神秘面纱，眺望其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源以及我们在宇宙中的位置。韦伯望远镜是一项国际计划，由美国国家航空航天局（NASA）领导，其合作伙伴包括欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency）。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：