通常情况下,在大型星系的中心都包含着一个超大质量黑洞——质量为太阳质量的数百万倍,甚至是数十亿倍。比如下图所显示的是银河系中心的黑洞SgrA*,质量约为太阳的 400 万倍。每当有物质被黑洞吞噬时,它就会释放出明亮的、可被探测到的X射线。
X射线: NASA/UMASS/D.WANG ET AL.,红外: NASA/STSCI
另一个大家所熟悉的超大质量黑洞是位于M87中心的黑洞 Powehi。所有人都记住了那个酷似”甜甜圈“模样的它,但在不同的波段下,天文学家可以看到它的很多面。下图上方显示的是由哈勃太空望远镜拍摄的 M87 的光学图像,左下方是来自 NRAO 的射电图像,右下方是来自钱德拉望远镜的X射线图像。可以看出,黑洞周围是非常活跃的,不同的物理过程会释放出不同的辐射。
光学:HST/NASA/WIKISKY;射电:NRAO/VLA;X射线:NASA/CHANDRA
除了这些大型星系之外,宇宙中还存在着大量的矮星系。这些矮星系的质量不到银河系的百分之一,它们也包含着大质量黑洞——其平均质量约为太阳的 40 万倍。
正在形成恒星的矮星系 UGC 5340,这可能是由它与另一个星系(图中没有显示)之间的引力相互作用所造成的结果。引力作用经常触发新的恒星形成过程,导致内部气体云的坍缩。 图片来源:NASA/ESA/The Legus Team
2011 年,天文学家在距离地球 3000 万光年远的星系 Henize 2-10 中发现了第一个这样的黑洞。这一意外的发现激起了一番搜寻热潮,目前已经发现了 100 多个矮星系拥有这样的黑洞。
Henize 2-10 是一个矮星爆星系,有大量的恒星正在形成。 图片来源:NASA/NRAO
在一项新的研究中,Amy Reines等人使用甚大阵(VLA)进行了一次矮星系大搜索。他们先从 NASA 的斯隆图集中选择了一个星系样本,这是一个可见光波段下的星系汇编。他们选择了质量小于 30 亿倍太阳质量的星系。从这个样本中,他们选择了同样出现在 1993 年至 2011 年间 NRAO 国家射电天文台的 FIRST 星表中的候选星系,然后利用 VLA 对选定的 111 个星系拍摄了新的分辨率更高的图像。最新的 VLA 观测显示,其中 13 个矮星系中含有一个正在吞噬周围物质的巨大黑洞。
VLA 观测到的星系图像,其中都包含了大质量黑洞。中间的插图是一副艺术构想图,勾勒了围绕着黑洞的吸积盘和向外喷射的喷流。 图片来源:Sophia Dagnello/NRAO/Decals Survey/CTIO
而更令人惊讶的是,在这 13 个矮星系中,其中有 6 个黑洞明显不位于星系的中心。这一点有别于一些更大星系中的情况。
在 VLA 所拍摄的 111 个候选星系中,其中有 13 个包含着一个活跃的大质量黑洞。 图片来源:A. E. Reines et. al.
为什么会这样?原因很简单:在那些”安静“的星系中,黑洞会位于它们的中心;而在那些正在合并,或正发生相互作用的星系中,黑洞则会有偏离中心。
Reines 表示,这项研究告诉我们,若要在矮星系中寻找大质量黑洞,我们必须扩大搜寻范围,不能局限在星系中心,这样才能更全面地了解这些黑洞的数量,并了解是什么机制帮助形成了早期宇宙中的最早一批大质量黑洞。
在这个矮星系中,存在着一个质量比恒星系统大得多,但比超大质量黑洞轻得多的大质量黑洞。这颗黑洞并不位于星系中心,这种现象只出现在形状不规则的矮星系中,它很可能代表近期的一次合并事件所产生的结果。 图片来源:Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF
或许当这些合并或相互作用的过程全部完成之后,这些黑洞也许最终会终止“流浪”,回到星系的中心位置。