黑洞

些证据已经帮助天文学家们排除了仙女座大星系核心大质量天体的所有其他理论，只剩下了超大质量黑洞这个唯一的解释。 “看见这些恒星就像是看见一个魔术师从一顶帽子中拉出一只兔子。你知道它发生了，但却不知道它是如何发生的，”亚历桑那州图森市国家光学天文台的托德·劳厄（Tod Lauer）说。他和一个天文学家小组完成了这项哈勃观测，这个小组是由德国马普地外物理研究所的拉尔夫·本德（Ralf Bender）和德克萨斯大学的约翰·寇默迪（John Kormendy）领导的。这些结果将被发表在2005年9月20日的《天体物理杂志（Astrophy-sical Journal）》上。哈勃探测奇怪的蓝光华盛顿大学的天文学家伊凡·金（Ivan King）和同事们在1995年最先利用哈勃太空望远镜发现了奇怪的蓝光。他曾经认为这些光线也许来自于一颗单独的明亮蓝色恒星，或者来自于一种更奇异的能量过程。三年后，加州大学圣克鲁兹分校的劳厄和桑德拉·法伯（Sandra Faber）再次研究了蓝光。他们的观测表明，这些蓝光是一群蓝色恒星。现在，哈勃的太空望远镜成像摄谱仪（STIT）所做的新的光谱观测揭露出，蓝光是由超过400颗恒星所组成的，它们形成于大约2亿年前的一次爆发活动之中。这些恒星被紧密压缩在一个仅一光年宽的盘中。这个星盘被嵌套在一个由更古老、更低温、更偏红的恒星所组成的椭圆星环之中，它曾在以前的哈勃观测中被看到过。天文学家们还利用STIS测量了那些恒星的速度。他们通过计算恒星在围绕黑洞运行时所发光波的拉伸和挤压（即多普勒红移和蓝移），得到了它们的速度。在黑洞引力的束缚下，这些恒星移动得非常迅速：每小时可达360万公里（每秒1,000公里）。它们移动得如此迅速，以至于它可以在40秒内环绕地球，6分钟内抵达月球。速度最快的恒星不到100年就能完成一次公转。仙女座星系的活跃核心过去也可能形成过类似的恒星盘，将来也有可能会继续产生这样的恒星。 “星盘中的蓝色恒星是如此短命，以至于在仙女座大星系120亿年的漫长历史中，这样一个短命的星盘不太可能会在现在出现，”劳厄说。“所以我们认为，形成这个星盘的机制也许在过去形成过其他的星盘，并且在未来将会再次引发它们（的形成）。不过，我们仍然不知道这样一个星盘最早是如何形成的。这仍然是一个谜。” 天文学家们将发现星盘的荣誉归功于哈勃超强的视力。“只有哈勃在蓝光波段拥有这样的分辨率，来观测这个星盘，”小组成员，国家光学天文台的理查德·格林（Richard Green）说。“它是如此的微小，与周围的红色恒星是如此的不同，以至于我们能够利用它来深入探测仙女座大星系非常活跃的核心。这些观测是由我们小组中建造了STIS的成员们拍摄的。我们特别设计了它的可见范围，可以抓住这样一个机会——测量我们银河系以外的其他星系中最靠近黑洞的星光。” 巨型黑洞的铁定证据除了发现这个恒星盘以外，天文学家们利用这次对仙女座大星系独一无二地细致观测，明白无误地证明了这个星系确实拥有一个中心黑洞。1988年，在各自独立的地基研究中，约翰·寇默迪和艾伦·德莱斯勒（Alan Dressler）与道格拉斯·瑞切斯通（Douglas Richstone）的小组分别发现了仙女座大星系的一个中央暗天体，他们相信这是一个超大质量黑洞。这是现在检测到的40个黑洞之中，最早出现的有说服力的案例，大部分检测都是由哈勃完成的。然而，这些观测并不能完全排除其他的、非常奇异的、可能性低得多的解释。 “有很多引人注目的理由使人相信这些就是超大质量黑洞，”寇默迪说。“但是盖棺定论需要极其严格的证据。我们必须确信，这些就是黑洞，而不是由死亡恒星所组成的暗星团。” 仙女座大星系的STIS观测是如此精确，以至于天文学家们已经排除了中心暗天体的其他所有可能性。他们还计算出黑洞的质量是太阳的1.4亿倍，比过去认为的重了三倍。此前，暗星团的可能性只在两个星系中被完全排除了，它们是NGC 4258和我们自己的银河系。“这两个星系给我们提供了黑洞存在的明确证据，”寇默迪补充说。“但它们都是特殊的案例——NGC 4258包含了一个我们可以用射电望远镜观测到的微波激射水分子盘（即由黑洞周围能够受激发射微波的水分子所组成的一个盘状结构），而我们银河系中心的距离又近到令我们可以追踪单颗恒星的轨道。仙女座星系是第一个我们可以利用哈勃和这样的技术，排除所有奇异的可能性，从而确认黑洞存在的星系。利用同样的技术，我们几乎可以找到所有的超大质量黑洞。” “研究黑洞一直是哈勃的首要任务，”寇默迪说。“确认仙女座大星系中的黑洞，这无疑是哈勃成果中的一个重要部分。这使我们更加确信，在星系中检测到的其他中央暗天体也都是黑洞。” “既然我们已经证明黑洞位于蓝色恒星盘的中心，那么这些恒星的形成过程就变得难以理解了，”本德补充说。“可能形成恒星的气体一定在非常迅速地围绕黑洞旋转——靠近黑洞的气体运动速度比外侧要迅速得多得多——以至于恒星形成过程看起来几乎是不可能的。但是恒星就在那里。” 星系的活动核心黑洞和恒星盘并不是仙女座大星系核心的唯一结构。1993年，劳厄和法伯领导的小组利用哈勃发现，这个星系的中心似乎拥有一对双星团。这项发现是令人吃惊的，因为两个星团应该会在几十万年内就合二为一。普林斯顿大学的斯科特·特里梅因（Scott Tremaine）提出这个“双核心”其实是一个年老的红色恒星环，从而解决了这个问题。这个星环看起来像是两个星团的原因是，天文学家们只看见了星环上相对两端的恒星。从地球上看去，蓝色星盘和红色星环是以相同的视角叠加在一起的，暗示出它们或许是有关联。尽管天文学家们因为发现了围绕超大质量黑洞旋转的蓝色星盘而感到惊讶不已，但他们还是认为这种费解的结构也许并非不同寻常。 “这个邻近星系核心内部的动力学过程也许比我们认为的更为普遍，”劳厄解释说。“我们自己的银河系显然拥有更年轻的恒星靠近它自己的黑洞。只有最近的两个大星系拥有这种古怪的活动，这似乎是不可能的。因此这种行为也许不是特殊，而是正常的。而且我们也已经发现了其他拥有双核心的星系。”
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