难以捉摸的黑洞正在“大快朵颐”

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翻译：马啸然

校对：牧夫天文校对组

后期：王启儒

责任编辑：王启儒

原文发布于 universetoday.com

天文学家是否正站在发现首例难以捉摸的中等质量黑洞的门槛上？多年来，不同研究团队一直在试图给出相关证据，比如在球状星团半人马座ω中就有一个候选，也有证据显示它们可能存在于星系中心的超大质量黑洞附近。如今，研究人员又发现了一个正在吞食恒星的 IMBH 线索。

X 射线辐射是天文学家探测黑洞的主要手段之一。当来自伴星的物质被恒星级黑洞吸引时，这些物质会在吸积盘中加热到极高温度并发出 X 射线。超大质量黑洞（SMBH）在潮汐瓦解事件（TDE）期间也是如此。对假设中的 IMBH 以及这一次的新候选体，同样适用。

这张图像展示了一个可能属于罕见类别的天体——中等质量黑洞（IMBH）——NGC 6099 HLX‑1，似乎位于一座巨型椭圆星系中的一个致密星团内。该天体不同寻常的 X 射线发射首先被哈勃太空望远镜与钱德拉 X 射线天文台捕捉到。

Credit: X-ray: NASA/CXC/Inst. of Astronomy, Taiwan/Y‑C Chang；Optical/UV: NASA/ESA/STScI/HST；Image Processing: NASA/STScI/J. DePasquale

哈勃空间望远镜与钱德拉 X 射线天文台协同工作，在距离约 4.5 亿光年外的一座遥远椭圆星系中探测到来自疑似 IMBH 的强烈 X 射线发射。相关发现发表于《天体物理学杂志》上，论文第一作者是台湾学者张祐祺。

作者写道：“我们报告了一个投影在椭圆星系 NGC 6099 外侧的可变 X 射线源的耐人寻味的性质。其光学连续谱可以用来自致密星团的恒星辐射，或被 X 射线照亮的吸积盘来建模，这与 IMBH 的情景相一致。”

该源名为 NGC 6099 HLX‑1。钱德拉 X 射线天文台在2009 年首次探测到它，当时它的 X 射线出现强烈耀发。此后，天文学家一直利用欧洲航天局的 XMM‑牛顿望远镜对其进行监测，观察到其 X 射线辐射随时间变化。来自多台其它望远镜的观测也进一步完善了证据链。

研究人员之所以想找到 IMBH，是因为它们可能是黑洞等级谱系中的缺失环节。

张祐祺表示：“在星系核以外，具有如此极端光度的 X 射线源非常罕见，它们可作为识别难觅 IMBH 的关键探针。它们代表着恒星质量黑洞与超大质量黑洞之间演化上的关键缺口。”

面板展示了不同时期、由不同望远镜获得的 NGC 6099 HLX‑1 四幅影像。HLX‑1 位于椭圆星系 NGC 6099 的外侧，距离星系中心约 4 万光年。左下图来自钱德拉，右下图来自加拿大‑法国‑夏威夷望远镜。
Credit: Yi‑Chi Chang et al. 2025 ApJ 983 109

天文学家已经非常熟悉潮汐瓦解事件的辐射特征，而在 NGC 6099 HLX‑1 的 X 射线中也发现了这些特征，通过哈勃空间望远镜还在该候选 IMBH 附近发现了一个小型恒星星团的迹象，这个证据颇具说服力——毕竟在确认银河系中心 SMBH 的过程中，具有异常运动的恒星群也是关键线索。NGC 6099 HLX‑1 附近的恒星高度致密，为 IMBH 提供了充足的“口粮”。

当黑洞吞食恒星或其他物质时，只有一部分物质会跨越事件视界，其余则聚集成旋转的吸积盘并被加热。研究人员指出，吸积盘中的物质温度达到约170 万摄氏度，与 TDE 的期望一致——足以发出 X 射线。这些辐射在2012 年达到峰值，比首次探测到的2009 年亮了 50 到 100 倍，此后逐渐回落。如此超高光度的 X 射线输出对恒星级黑洞而言过于明亮，却落在IMBH的理论范围内。

带吸积盘的黑洞示意图。当黑洞从恒星汲取物质时，部分物质在超高温的吸积盘中辐射出 X 射线。

Credit: NOIRLab/AURA/NSF/P. Marenfeld

作者在论文中解释道：“HLX‑1 的观测性质使其成为一个不同寻常且耐人寻味的源，难以被归入常见的吸积致密天体类别。”鉴于所探测到的 X 射线性质，他们观测到的也可能是一个背景活动星系核（AGN），作者认为这确实是一种可能性。“我们无法完全排除一个遥远的背景 AGN 或类星体的可能，但用 AGN 来解释略显牵强”。

关于 NGC 6099 HLX‑1 的一个疑点在于：其 X 射线辐射有一个光学对应体。这个蓝色、点状的光学源可能来自承载 IMBH 的一个星团，这与“IMBH 在星团中形成”的理论一致；但也可能是 X 射线照射吸积盘后再处理为光学光所致，这种解释同样符合 IMBH 。作者在论文中写道：“该光学对应体的形态和亮度与位于 NGC 6099 外侧的来源一致，例如一个大质量星团或超紧致矮星系。”未来几年这种辐射如何变化，可能会揭示 HLX‑1 的真实情况。

意大利国家天体物理研究所的论文合著者罗伯托·索里亚说：“如果这颗 IMBH 正在吞噬一颗恒星，那要多久才能把它的气体吞完？2009 年时 HLX‑1 已经相当明亮；到了 2012 年，它又亮了大约 100 倍，然后又变暗了。接下来我们需要继续观测，看它是否会多次耀发，还是说已经经历了一个开始、一个峰值，然后就会一路衰减直到消失的过程。”

这幅插图展示了一颗恒星在一次潮汐瓦解事件中被黑洞“意面化”的过程。

Credit: NASA / CXC / M. Weiss

在论文的结论中，研究团队强调：“该源符合识别中等质量黑洞（IMBH）的主要筛选标准。”就现有观测而言，这是最为简洁的解释。

他们写道：“我们讨论了多种替代性的解释，并认为这是位于致密星团中的一颗 IMBH，通过对一颗低质量恒星的潮汐剥蚀/瓦解获得物质供给，是与现有数据最相符的最简方案。”

不过这并不能解释为什么 NGC 6099 HLX‑1 在 2009 年较为黯淡，而在 2012 年亮度又增加了 50 到 100 倍。作者写道：“乍看之下，2009 年的探测似乎排除了单次 TDE 的情形。”目前对此现象的最佳解释是：一颗恒星沿椭圆轨道绕 IMBH 运行，在近距离掠过时会被周期性剥蚀，这在超大质量黑洞（SMBH）周围的 TDE 中也曾被观测到。这个机制同样可以解释其他 IMBH 候选体所呈现的可变 X 射线。

还有另一种情景可以解释 NGC 6099 HLX‑1 及其“暗—亮—再暗”的亮度演化：2009 年的初始增亮，可能源于在自相交的吸积流中被激波加热的气体；而 2012 年的峰值则对应吸积盘的吸积阶段。

要真正回答 NGC 6099 HLX‑1 的谜题，以及 IMBH 是否存在这一更宏大的问题，仍有赖更多观测。如果 IMBH 的确是恒星级黑洞与 SMBH 之间的中间阶段，那么在它们通过吸积增长时将其捕捉到至关重要。黑洞质量与宿主星系质量之间存在比例关联，找到更多 IMBH 将强化这种关系。若能在大质量星系的外缘发现更多 IMBH，可能意味着它们最终会落入星系内部，推动 SMBH 的层级式增长。

当然，除合并吞噬 IMBH 之外，SMBH 的增长也可能有其他渠道。一些天体物理学家提出，SMBH 也许会在暗物质晕中通过直接塌缩而成长，多种机制并存亦不无可能。但我们面临观测偏差：相比 IMBH，SMBH 更易被探测。IMBH 也许远比我们观测到的更多，只是难以发现，找到更多此类天体，将帮助我们理解黑洞的成长过程。

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来源: Reddit

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