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2016-5-20

从NGC 4178说无核球星系的特大质量黑洞

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 2:24 pm

经典的星系形成理论认为,早型盘星系的核球成分或椭圆星系是由并合过程形成的。而同样的过程也在星系中心塑造了质量百万倍于太阳以上的巨型黑洞,因此就带来了著名的M-σ关系,也就是核球的速度弥散量(这个参量也是核球总质量的表征)σ同星系中央黑洞的质量M密切正相关。乍看之下,哈勃序列中排在Sb型之后的晚型年轻旋涡星系由于核球甚小甚至完全缺乏核球成分,本不应拥有特大质量黑洞。但宇宙的常态就是,事实经常与预期相悖,这也是天体物理研究的一大引人入胜之处。

星系核球质量/速度弥散量同中央特大质量黑洞之间正相关的M-σ关系示意。

无核球星系又分为两类,其一是中心存在由长期演化过程产生的赝核球,另一种少数派干脆连赝核球也不具备。这两种星系都可能容纳特大质量黑洞,至少是准特大质量黑洞,而且尤其是前一类,实例并不少见,甚至不少还属于活动星系。所以星系中心庞然大物的形成与初期发育或许压根就与星系并合毫不相干。另外一点值得一提的就是,赝核球或星系盘的质量(连带其他性质)都同黑洞现身与否无关,更与黑洞的大小无关。

本周早些时候,还是那位在《Newton科学世界》杂志做编辑的友人发信求助,询问“无核球星系”是怎么一回事,规范译名又是什么。虽说这里该名词系由日语假名转译,但相应的英文想必就是bulgeless了。鉴于天文学名词委员会勘定的bulge规范译法是核球,这里用上一个“无核球”也不成问题。(但很想借此吐槽的是名词委各术语翻译严重不统一,比如NGST的ST对应太空望远镜,其他场合都是空间望远镜;CSA的SA还是宇航局,到了ESA就变成了空间局;GSFC的SFC要译作航天中心,MSFC就非得叫空间中心;更吐血的是同一个行星地貌名词单用和特指更出现了多种变体,简直毫无道理。就不提当年的“星系高能天文卫星”、“翠声号探测器”以及现今犹存的“丝川小行星”等等让人怀疑委员会成员是否连汉字也认不得的硬伤了,想来真是一身黑……)

由此本人好奇心起,索取更多背景时才知道杂志的相关文章是在说无核球的NGC 4178跟黑洞不得不提的干系。毕竟这方面内容在星系天文学的圈子之外尚处非标准地带,之前从来没有正经了解过。不过要说这位编辑最近两回找上门来,怎么都是在跟黑洞过不去呢?一个是在银心,另一个在NGC 4178的中心,更要命的是这两个黑洞体量还差不多,都是太阳10万倍的量级,后一个可能还要略轻些。可是前者还被唤作中等质量黑洞,这次的就升格成特大质量黑洞了,原因何在?看上去很不合理嘛!好吧,反正中等和特大黑洞的分野至今仍处灰色地带,姑且照用之,不去纠结也罢。

NGC 4178的可见光影像。(图片提供:The Sloan Digital Sky Survey Collaboration)

NGC 4178就属于前述那种根本不具备赝核球,但却有特大质量黑洞安家其中的星系。与坐拥中央黑洞的赝核球星系不同,NGC 4178的同胞数量并不多。在判定这里存在黑洞的2012年之前,也只有NGC 4395、NGC 1042和NGC 3621这几个确定的例子,之后也只知道NGC 4561一个新增样本;近几年就算有其他发现,想必也不会多到哪里去。这个侧向地球的星系分属Sb(rs)dm型,是室女星系团的一员,位于16.8百万秒差距(5500万光年)之外。早年的可见光以及射电观测表明,它没有与其他星系发生相互作用的迹象,物质分布也与正常的星暴星系一致,星系核并不显活跃。只是个人看来,就上面这张可见光图像而言,说NGC 4178核球不明显还可以,真不觉得该星系完全缺乏核球,因为中心区域还是表现出了比较明显的增亮。这样的亮度分布也许要归结为位居NGC 4178中央的核星团,这是它与其他同类星系的重要共性。NGC 4178的核星团含有50万倍于太阳的质量,一般认为,核星团正提供了特大质量黑洞的前身。

在无核球,尤其是无赝核球星系中敲定特大质量黑洞的最佳(往往也是唯一)方法是寻找星系核的活动。2009年,美国乔治·梅森(George Mason)大学的S. Satyapal等人使用斯皮策空间望远镜在NGC 4178中找到了与中心区域成协的氖元素中红外禁线辐射。这种辐射通常意味着活动星系核的信号,因此为了进一步确认活动星系核的身影,2011年,同样来自乔治·梅森大学的N. J. Secrest等人又使用钱德拉X射线天文台考察了这个星系的高能特征,并找到了来自核区的X射线点源。

NGC 4178的红外(假彩色)与X射线(等高线)辐射对比。(图片来源:Secrest et al. 2012

大致说来,NGC 4178的红外辐射呈双瓣状,二者连线的正是核区X射线源(上图的A处)。两个红外瓣距离A源各有1300秒差距,很可能与产星区成协。除了与星系测光中心重合的A源,B、C、D这三个偏心的点源看上去都是包含致密星的系统,最明亮的D源甚至还可能是一个质量相当于太阳6000倍的中等质量黑洞的产物(前提是它们确实与NGC 4178成协,而非背景天体),不过只有C源存在其他波段的对应体。

星系中心A源的X射线能谱极软,光子谱指数陡至-2.6;假设该源的谱形遵从简单幂律,其对应的光度也远比依照氖线的推断为低。Secrest等人对此的解释是,如果NGC 4178中央的这个源是特大质量黑洞吸积所致,那么黑洞系统应该是埋藏于浓厚的介质之中的,周围有局域化强吸收,软X射线光子在其中“钻”出了若干孔洞才得以露头。当然另一种可能性也不能被完全排除,也就是A源发出的X射线实为核星团中某对X射线双星的贡献。只是考虑氖元素禁线的辐射强度,后一个解释总归不太让人信服。

NGC 4178的中心X射线源放大图。(图片来源:Secrest et al. 2012

若中央黑洞之说成立,利用氖禁线的光度,不难推算出这个黑洞的爱丁顿质量(也就是其质量下限)——太阳的数万倍,堪称最迷你的特大质量黑洞。作为比较,其他几个无赝核球星系的黑洞块头也与此相当,比如NGC 4395的黑洞质量约合太阳的36万倍;NGC 3621是5万倍左右;NGC 4561的更小,只有太阳的2万倍;而NGC 1042的黑洞不确定性很大,介于太阳60倍到30万倍之间。这些黑洞的吸积速率要是再慢一些,低过爱丁顿吸效率,它们的个头理应较估测值更大。

需要指出的是,虽然已知具有中央黑洞的无赝核球星系屈指可数,但它们的核星团质量与黑洞大体正相关。这也许要类比于早型星系的M-σ关系(但比例系数不尽相同),暗示了特大质量黑洞的起源。但自己又一次想到了DRAGON模拟,密集星团中央到底能不能形成单一的较大黑洞?还是说模拟中出现的小型黑洞在日后的演化中会继续并合?抑或是这项模拟本身就不是那么靠得住?天知道。反正当下数值模拟的不确定性仍存,身居无赝核球星系的已知大型黑洞数量又不足以支撑起统计学上有意义的分析,尚待解决的问题还是不少的。

至于中等与特大质量黑洞的分界线,估计本身也不会是那么的明晰。NGC 4178等星系的核星团说不定就是普通星团与经典核球之间的过渡状态,它们为特大质量黑洞埋下了种子,但宇宙巨兽的最终问世还是要靠星系并合的催化。根据动力学研究,再过1亿年,NGC 4178就要进入室女星系团的主体区域了,随后它会不可避免地同团中的其他成员频繁发生作用,真正的核球与特大质量黑洞就要在其中成形了。只不过到那时谁吃掉谁还说不定,要是撞上了更大的星系,NGC 4178自身消匿,其中央黑洞为后者添砖加瓦也是意料之中的事情。

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