科学家探秘中等质量黑洞候选体HLX-1的爆发之谜
2016/3/30 中科院之声
观测上，黑洞有两个极端的质量，一类是由大质量的恒星死亡坍缩后形成，称为恒星级黑洞，质量在几倍至几十倍太阳质量；另一类是位于星系中央的超大质量黑洞，其质量可达数百万至数十亿倍太阳质量。而处于这两个极端质量之间的黑洞，即所谓的中等质量黑洞在大约一百至十万倍太阳质量之间。这类黑洞是否存在，仍未有定论，而它的存在与否对于超大质量黑洞是如何形成的具有重大的意义。天文学家们已经寻找了几十年，也有很多天体被认为是中等质量黑洞的候选体，但是迄今仍然没有充分的证据来证明。超亮X射线源就是一类这样的候选体，而光度最高的超亮X射线源 ESO 243-49 HLX-1 则是这类候选天体中最有可能的一个。近日，中国科学院上海天文台研究员余文飞领导的科研团队对这个源的身份之谜展开了进一步的研究，分析了X射线卫星 Swift 对 HLX-1 从2009年至2015年的六个爆发的监测数据，通过与银河系内恒星级黑洞X射线双星比较，阐述了其作为中等质量黑洞的可能性大小。“这个谜底还未解开，但我们已经在路上”。该工作发表在天文国际核心期刊《天体物理杂志》( Astrophysics Journal )。
HLX-1 是2009年由当时图卢兹大学的 Sean Farrell 领导的研究团队从欧洲空间局(ESA)的 XMM-Newton X 射线望远镜的数据中发现的。 HLX-1 是目前已知的光度最高的超亮X射线源。这么高的X射线光度(~1 x 1042 erg s?1, 0.2-10.0 keV)很难是由恒星级质量黑洞产生的，而它又位于星系 ESO 243-49 的边缘(见上图小圈标记)，肯定不是星系中心的超大质量黑洞，使得 HLX-1 成为了中等质量黑洞最强有力的候选者。
如果 HLX-1 包含了一颗中等质量黑洞，对于它的形成和演化，大家有众多猜测，其中一种说法即是其来源于星系碰撞并合。之前有些工作猜测 HLX-1 本身位于一个矮星系的中心，随后这个星系与大星系 ESO 243-49 发生碰撞并合，矮星系中的恒星被大星系吞噬从而使其中心黑洞——HLX-1——暴露出来。 Sean Farrell 在2012年利用哈勃空间望远镜观测到 HLX-1 附近可能存在大量年轻的蓝色恒星，这些观测证据暗示了上述观点的可能性。
对 HLX-1 在X射线波段的监测表明其有类周期性的X射线爆发，大约一年左右会爆发一次，其中会经历大约十天左右的爆发上升时期和200天左右的爆发下降时期，随后进入了休眠状态。这种爆发性质吸引了众多天文学家的研究兴趣。因为它的爆发与已知的大多数银河系内恒星级黑洞X射线双星系统十分相似，而它们的爆发一般认为来自于吸积盘的不稳定性，其爆发的时标由粘滞时标决定。
前人工作通过计算发现如果 HLX-1 包含了一颗中等质量黑洞，它的粘滞时标大约为百年量级，而观测到的爆发只有百天量级，这一矛盾使人们推论其X射线爆发并不能简单地由吸积盘模型的不稳定性解释。其他工作又提出了一种解释，认为一颗恒星沿着非常椭圆的轨道围绕黑洞旋转，当它靠近黑洞时，物质就被黑洞吸积，从而引起了爆发。随着爆发的增多，大家发现它们的间隔并不是周期性的，所以这个模型也被否定了。 HLX-1 的爆发的原因依然是个未解之谜。
上海天文台余文飞领导的科研团组分析了X射线卫星 Swift 对 HLX-1 从2009年至2015年的六个爆发的监测数据。“我们的研究定量地证实了HLX-1的一些爆发的性质(比如上升时标，下降时标，持续时标，释放的总能量等)随着时间有演化趋势，而且我们发现随着时间的推移， HLX-1 在爆发期间的时间越来越短，在休眠期间的时间越来越长，这个发现有助于揭示它的爆发的起源。”
基于之前对银河系内恒星级黑洞X射线双星的系统研究结果，他们将其与 HLX-1 的爆发性质进行了定量的比较。“我们进一步证实了 HLX-1 的爆发轮廓，时标以及爆发期间X射线能谱演化等性质与已知的大多数银河系内恒星级黑洞X射线双星系统十分相似；在每个爆发期间， HLX-1 也经历了和恒星级黑洞X射线双星相似的X射线能谱演化。”文章的第一作者、上海天文台副研究员闫震说，“我们又发现其态跃迁发生的光度、爆发上升时光度变化率与爆发峰值光度之间都符合我们在银河系内恒星级黑洞X射线双星系统中发现的近似线性的关系。”
前人的工作还发现在 HLX-1 的能谱态跃迁期间，也伴随着间歇性喷流。这些相似性表明 HLX-1 可能是一个放大版的黑洞X射线双星系统，只不过它的黑洞不是恒星级的，而是几千倍太阳质量。但是定量比较显示它的爆发期间的各种特征时标也和银河系内恒星级黑洞X射线双星相似，而这些时标是和吸积盘的大小相关的，通常吸积盘的大小又和黑洞质量是相关的。这就造成了一个难以解释的矛盾，一方面爆发的各种时标表明 HLX-1 吸积盘的尺度应该与恒星级黑洞在一个量级，而另一方面，其超高的X射线光度又表明其吸积率和黑洞质量(和吸积盘尺度相关)都高于银河系内恒星级黑洞约三个量级。这一矛盾更突出了 HLX-1 作为中等质量黑洞候选者的特殊性质。
星系ESO 243-49的哈勃图像，小圆圈标记了 HLX-1 的位置。 Image Credit: NASA, ESA and S. Farrell ( University of Sydney and University of Leicester )
来源：中国科学院上海天文台
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