质量超过太阳300亿倍：“引力透镜”帮助天文学家刷新黑洞质量上限

wakeman

一个天文学家团队利用一种被称为引力透镜的现象，发现了迄今为止观测到的最大黑洞之一。

黑洞的艺术想象图。黑洞强大的引力扭曲了它周围的空间，将背景光的影像扭曲成圆环形排列在它的后方。这种“引力透镜”效应提供了一种观察方法，可以根据光被扭曲的程度探测黑洞的存在，并推测它们的质量。图片来源：ESA/Hubble, Digitized Sky Survey, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann
来源 Durham University
翻译 张鑫洁
编辑 魏潇
由英国杜伦大学（Durham University）领导的团队利用了引力透镜效应（gravitational lensing, 即前景星系会使来自遥远天体发出的光发生弯曲从而放大这个天体）和 DiRAC HPC 设备上的超级计算机模拟，仔细研究了距离地球数亿光年的星系内的黑洞是如何使光线弯曲的。
他们在前景星系中发现了一个超大质量黑洞，这个黑洞的质量是太阳质量的 300 多亿倍，是天文学家很少见到的规模。
这是该技术首次发现的黑洞。研究团队通过这项技术对光在宇宙中的传播进行了数十万次模拟，每次模拟都包含一个不同质量的黑洞，改变着光到达地球的旅程。
当研究人员在他们的一次模拟中引入了一个超大质量黑洞时，来自遥远星系的光到达地球的路径与哈勃空间望远镜拍摄的真实图像中的路径相一致。
这一发现于 2023 年 3 月 29 日星期三发表于《英国皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）。
研究的第一作者、杜伦大学物理系的 James Nightingale 博士说：“这个特殊的黑洞，其质量大约是太阳质量的 300 亿倍，是迄今为止探测到的最大的黑洞之一，也是我们认为黑洞理论上可以达到的上限，所以这是一个极其令人兴奋的发现。”
当前景星系的引力场出现使背景星系的光弯曲时，引力透镜效应就会发生，这意味着我们会不止一次地观测到它。
就像真正的镜头一样，这也会放大背景星系，使科学家能够对其进行更详细的研究。

观测示意图。来源：Durham University
Nightingale博士说：“我们所知道的大多数最大的黑洞都处于活跃状态，靠近黑洞的物质会升温并以光、X 射线和其他辐射的形式释放能量。”
“然而，引力透镜使得研究不活跃的黑洞成为可能，这是目前在遥远星系中不可能做到的。这种方法可以让我们探测到更多超出我们邻近星系范围的黑洞，并揭示这些奇异物体是如何在更远古的宇宙时代演化成型的。”
德国的马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）也参与了这项研究，它开辟了一种诱人的可能性，即，天文学家可以发现比以前认为的要多得多的不活跃和超大质量黑洞，并研究它们是如何成长得如此之大。
这一特殊发现的故事可以追溯到 2004 年，当时杜伦大学的天文学家 Alastair Edge 教授在查看星系巡天图像时注意到了一个巨大的引力透镜弧线。
19 年过去了，借助美国航空航天局（NASA）哈勃望远镜提供的一些超高分辨率图像和杜伦大学 DiRAC COSMA8 超级计算机设备，Nightingale 博士和他的团队得以重新审视这个问题并对其作进一步探索。
该团队希望这是实现深入探索黑洞之谜的第一步，未来的大型望远镜将帮助天文学家研究更遥远的黑洞，更多地了解它们的大小和规模。
这项研究得到了英国航天局、英国皇家学会、英国研究与创新部（UKRI）下属的科技设施委员会（STFC）以及欧洲研究委员会的支持。
这项工作同时使用了 DiRAC 数据密集型服务（CSD3）和 DiRAC 内存密集型服务（COSMA8），由剑桥大学和杜伦大学代表 DiRAC 高性能计算设施托管。
原文链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/983991
论文信息
【标题】Abell 1201: detection of an ultramassive black hole in a strong gravitational lens
【作者】J W Nightingale, Russell J Smith, Qiuhan He, Conor M O’Riordan, Jacob A Kegerreis, Aristeidis Amvrosiadis, Alastair C Edge, Amy Etherington, Richard G Hayes, Ash Kelly, John R Lucey, Richard J Massey
【期刊】Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
【时间】29 March 2023
【DOI】https://doi.org/10.1093/mnras/stad587
【摘要】Supermassive black holes (SMBHs) are a key catalyst of galaxy formation and evolution, leading to an observed correlation between SMBH mass MBH and host galaxy velocity dispersion σe. Outside the local Universe, measurements of MBH are usually only possible for SMBHs in an active state: limiting sample size and introducing selection biases. Gravitational lensing makes it possible to measure the mass of non-active SMBHs. We present models of the |$z$| = 0.169 galaxy-scale strong lens Abell 1201. A cD galaxy in a galaxy cluster, it has sufficient ‘external shear’ that a magnified image of a |$z$| = 0.451 background galaxy is projected just 1 kpc from the galaxy centre. Using multiband Hubble Space Telescope imaging and the lens modelling software PYAUTOLENS, we reconstruct the distribution of mass along this line of sight. Bayesian model comparison favours a point mass with MBH = 3.27 ± 2.12 × 1010M⊙ (3σ confidence limit); an ultramassive black hole. One model gives a comparable Bayesian evidence without an SMBH; however, we argue this model is nonphysical given its base assumptions. This model still provides an upper limit of MBH ≤ 5.3 × 1010M⊙, because an SMBH above this mass deforms the lensed image 1 kpc from Abell 1201’s centre. This builds on previous work using central images to place upper limits on MBH, but is the first to also place a lower limit and without a central image being observed. The success of this method suggests that surveys during the next decade could measure thousands more SMBH masses, and any redshift evolution of the MBHσe relation. Results are available at https://github.com/Jammy2211/autolens_abell_1201.
【链接】https://academic.oup.com/mnras/article/521/3/3298/7085506

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