X射线深场中的1000个黑洞

[ 录入者:Melipal | 时间:2017-01-11 08:28:16 | 作者:Melipal | 来源:Sky & Telescope | 浏览:1378次 ]

原文标题:1,000 Black Holes in Deepest-Ever X-ray Image

作者:Monica Young

原文来自:SkyandTelescope.com

Posted: 2016. 1. 6

编译:Melipal  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

钱德拉X射线天文台花费几乎12周的时间凝视着一片小天区,揭示出了1008个X射线源,其中大多数都是特大质量黑洞。

天文学家在美国天文学会冬季会议上揭秘了迄今获取的最“深入”的X射线图像:对一片尺度大致相当于满月2/3的天区进行的700万秒曝光。这些数据是由NASA的钱德拉X射线天文台在1999年到2016年间的102次指向观测期间获取的。图中的大多数光点都是数十亿光年之外星系中央的特大质量黑洞。

NASA的钱德拉X射线天文台在超过17年的时间里积累了700余万秒的观测数据,获取了这张迄今曝光程度最深的X射线影像。图片提供:NASA / CXC / Penn State Univ. / B. Luo et al.

来自宾夕法尼亚州立大学的尼尔·布拉特(Neil Brandt)在1月5日获得罗西奖期间介绍了这张图片以及背后产生的科学成果。罗西奖是表彰高能天文学突出贡献的年度大奖。

这张图像又名钱德拉南深空区,其中展示了1008个离散源,每个源都在发射能量介于500到8000电子伏特(0.5-8 keV)之间的X射线辐射。这是一张深度不可思议的影像,对于图中探测到的最暗辐射源而言,钱德拉每10天才能捕获从中发射的一个X射线光子!

由于钱德拉可以辨认出单个的入射光子,这不仅仅只是一张图像,还提供了每个源的光变曲线和能谱。下面这张时间延迟动画是由400万秒的观测数据生成的,每个闪烁的光点都是一个特大质量黑洞,而静止不懂的光点主要是存在X射线恒星的宁静星系。这一天区位于南天的天炉座,宽约20角秒。

多架望远镜,如哈勃、斯皮策、赫歇尔等空间望远镜,以及凯克和甚大望远镜等地基望远镜都观测过同一天区,因此我们可以了解几乎每个X射线源在其他波段的对应体,包括红外、射电和可见光。(举例来说,视场更狭窄、曝光更深的哈勃极深场就对应上图的中央。)几乎每个源也都得到了红移的测量,因此距离是已知的。

不仅仅是漂亮图片

因此这些闪烁的圣诞彩灯告诉了我们什么东西?它们给出的正是特大质量黑洞诞生与成长的线索。

为了了解由来自宾夕法尼亚州立大学和意大利博洛尼亚(Bologna)大学的法比奥·维托(Fabio Vito)及其同事进行的这项独特的研究,你首先要知道,虽然钱德拉拍摄了1000多个发射X射线的辐射源,但哈勃和其他望远镜在同一视场中看到了数以万计的星系。这其中的大多数星系并不能发出足够的X射线,并被钱德拉探测到。但它们可能确实会具备非常暗淡的X射线辐射,就算不是来自中央黑洞的,也会来自星系中的恒星。

维托与同事所做的,就是在钱德拉南深空区中找到了2000多个没有X射线探测的遥远星系(对应的宇宙年龄不足18亿年)。然后他们将切出的星系叠加在了一起,将其合并成一张X射线影像,由此获得的灵敏度与30多年的曝光相同,以此来勾勒出早期宇宙一个星系的平均X射线辐射。

维托说:“我们在回溯黑洞处于关键成长期的时光,此时它们相当于饥饿的婴儿和少年。”

维托与同事看到的平均星系充斥着产星活动,而非黑洞的成长。这意味着黑洞的一生并不都是在生长的,有时它们看上去要经历长久的宁静期,之间穿插着突增的过程。

哈勃极深场计划在紫外波段拍下的一点点遥远星系。图片提供:NASA / ESA / S. Beckwith (STScI) / HUDF Team

我们已经知道,质量相当于太阳10亿倍的黑洞在大爆炸后区区10亿年就已经出现了。理论上很难让如此庞大的黑洞如此迅速地成长起来。因此如果它们不是从诞生一刻开始就持续增长的,它们一开始可能就根本不是恒星质量的天体。特大质量黑洞的种子更有可能本身已经很庞大了,质量相当于太阳的1到10万倍。这些重子可能是在早期宇宙中由大质量云团直接坍缩形成的。

黑洞与星系的联结

在AAS会议上展示的另一项结果是,为了了解黑洞的演化,我们还有很长的路要走。我们已经知道,特大质量黑洞生长的速率看上去与宿主星系的产星速率相同。但是黑洞和星系成长之间的关联仍旧捉摸不定。(实际上,在2月号的《天空与望远镜》杂志中,我们就此话题专门撰写了一篇文章。)

现在来自宾夕法尼亚州立大学杨光的与同事称,这样的生长联结看上去是个次级效应。相反,黑洞的生长率看上去与恒星总质量而非新生恒星的数量关联更密。换句话说,质量更大的星系看上去喂养中央黑洞的效率更高,虽然其中的原理仍存在争议。

至少就现在而言,这是众多仍旧有待回答的谜题之一。但天文学家只是刚刚开始潜入钱德拉南深空区的深处而已。

(全文完)

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