大萨索科学研究所（Gran Sasso Science Institute）研究员曼努埃尔-阿尔卡-塞达（Manuel Arca Sedda）领导的一项最新研究发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上，揭示了神秘的中等质量黑洞（IMBHs）的形成机制。这些天体的质量介于几百到几万个太阳质量之间，可能代表着它们较小的亲戚--恒星黑洞和星系中心的超大质量巨洞之间的联系。

黑洞的光谱

事实上，黑洞有不同的类型：虽然它们的密度都很高，甚至光也无法逃脱它们的引力，但这些天体的质量可以在很大的范围内变化，并区分它们的形成机制。我们可以确定三个具有天文学意义的宏观类别：恒星型、中间型和超大质量型。

顾名思义，前者是由一颗质量足够大（即质量至少是太阳的 20 倍）的恒星耗尽燃料，在引力的作用下坍缩到自身内部而形成的：它们代表了最轻的黑洞类型，我们对其形成过程已经有了清晰的理论认识。

与之相对的极端是巨大的超大质量黑洞，其质量是我们恒星的数百万或数十亿倍。据信，每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，而在 2019 年，由于地平线事件望远镜的帮助，我们首次获得了其中一个超大质量黑洞的直接图像。

尽管取得了这一巨大成就，但这些天体的形成和吸积对现代天文学来说仍然是一个引人入胜的谜团，这主要是由于缺乏确切的证据来证明中质量黑洞的存在。而这正是阿卡-塞达的研究课题，也是目前正在审查的另外两项研究中的第一项。

图片描述的是DRAGON-II模拟计算出的模拟恒星簇。橙色和黄色圆点代表类太阳恒星，蓝色圆点代表质量为太阳质量 20 到 300 倍的恒星。中心的白色大物体代表一颗质量约为 350 个太阳质量的恒星，它很快就会坍缩形成一个中等质量的黑洞。图片来源： M. Arca Sedda (GSSI)

难以捉摸的中质量黑洞

"中等质量黑洞很难观测，"GSSI 的研究人员解释说，"目前的观测极限无法让我们对质量在 1,000 至 10,000 太阳质量之间的 IMBH 群体做出任何判断，而且它们在可能的形成机制方面也让科学家们感到头疼"。

研究的目标之一正是试图了解这些黑洞是如何形成的。"我们已经建立了新的计算机模型，可以模拟这些神秘天体的形成过程。我们发现，这种 IMBH 可以通过三种因素的复杂组合在星团中形成：比太阳大得多的恒星之间的合并、恒星物质对恒星黑洞的吸积，以及恒星黑洞之间的合并。"阿尔卡-塞达解释说："后者是导致通过探测引力波'看到'这些现象的可能性的一个过程。"

这项研究还假设了中间黑洞诞生后的情况：它们通过复杂的引力相互作用或由于一种被称为相对论反冲的过程而被甩出自己的星团，从而阻止了它们的进一步生长。

从 DRAGON-II 模拟中拍摄的快照放大图，该模拟是对拥有多达 100 万颗恒星的密集星团的建模。橙色和黄色圆点代表类太阳恒星，蓝色圆点代表质量是太阳 20 到 300 倍的恒星。中心的白色大物体代表一颗质量约为 350 个太阳质量的恒星，它很快就会坍缩形成一个中等质量的黑洞。资料来源：M. Arca Sedda (GSSI)

"我们的模型显示，虽然IMBH种子是在星团中高能恒星相互作用下自然形成的，但它们的重量不太可能超过几百个太阳质量，除非母星团的密度或质量极大。"

然而，一个重要的科学谜团尚待解答：中间黑洞是否代表恒星黑洞和超大质量黑洞之间的联系。这是一个悬而未决的问题，但这项研究提供了一些猜测的空间。

阿卡-塞达解释说："我们需要两个要素才能更好地澄清问题，一个或多个过程能够在IMBH的质量范围内形成黑洞，以及在宿主环境中保留这种IMBH的可能性。我们的研究对第一项内容提出了严格的限制，让我们对哪些过程可能有助于IMBH的形成有了清晰的认识。在未来，考虑包含更多双星（由两颗恒星相互绕行组成的系统）的更大质量星团，可能也是获得第二个要素的关键。但这需要从技术和计算角度做出巨大努力"。

编译自/scitechdaily