物理學院劉富坤團隊發現銀河系中心一千萬年前的超大質量雙黑洞并合事件
北京大學物理學院天文學系和科維理天文與天體物理研究所劉富坤教授領導的團隊近日在國際著名期刊Astrophysical Journal Letters發表了一項重要發現。通過分析銀河系中心超高速恒星的速度分布，研究團隊發現5000萬至2.5億年前，銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*附近存在一個比太陽重1.5萬倍左右的“中等質量黑洞”。這個黑洞在約1000萬年前與Sgr A*完成了并合。
銀河系在其演化歷史中曾多次吞噬較小的矮星系。科學家推測，這些矮星系中心可能存在中等質量黑洞，其中一部分會與銀河系中心的超大質量黑洞Sgr A*形成雙黑洞系統。這種雙黑洞系統會通過引力波輻射逐漸靠近，最終合并。
雖然我們無法直接觀測到銀河系中心過去的雙黑洞合并事件，但科學家可以通過研究超高速恒星來追溯這段歷史。超高速恒星是從銀河系中心高速拋射出的恒星，其速度可達每秒數百公里。目前，科學家已發現約20顆這樣的恒星，它們的運動軌跡記錄了銀河系中心過去的環境信息。主流的理論認為，超高速恒星可以通過兩種方式形成：雙星系統被一個超大質量黑洞潮汐分離后拋射恒星（Hills機制）；單顆恒星與超大質量雙黑洞相互作用從而獲得高速（引力彈弓效應）。但兩種理論都預測應存在大量極端高速（大于約700千米每秒）的超高速恒星 ，這與實際觀測不符。
圖1 銀河系（左圖）中心產生超高速恒星的兩種機制的示意圖（右圖）。一種是靠近超大質量黑洞Sgr A*的雙星系統被黑洞的潮汐力瓦解后，其中一顆恒星獲得極高速度并射出（Hills機制）；另一種是在系統中有另一顆繞轉Sgr A*的中等質量黑洞（IMBH）時，靠近其軌道的恒星因引力彈弓效應而高速射出。銀河系圖片來源：NASA/JPL-Caltech
研究團隊發現，一個最近（1000萬年前）才合并的雙黑洞系統可以自然地解釋上述極端高速恒星的稀有性。該模型表明，當存在雙黑洞系統時，單顆恒星或者雙星更可能與質量較小的黑洞相互作用，并且獲得較低的逃逸速度。只有當雙黑洞合并后，雙星才能更加頻繁地與質量較大的中心黑洞作用，獲得較高的逃逸速度。
圖2 超高速恒星的速度的累積分布直方圖。黑色直方圖為MMT項目的觀測結果，綠色直方圖為本研究對觀測數據的最佳擬合結果，二者均具有700千米每秒的速度上限。作為對比，另外兩種模型（紫色線代表Hills機制；粉色線代表引力彈弓效應）所預測的速度分布與觀測明顯不符
通過分析超高速恒星的速度分布，研究團隊推測，在5000萬至2.5億年前，銀河系中心存在一個質量約為1.5萬倍太陽質量的中等質量黑洞，它最終在約1000萬年前與Sgr A*合并。根據這個黑洞的質量、演化歷史和軌道特性，研究團隊推測它很有可能來自于一個在100億年前被銀河系吞噬的被稱為“香腸”星系的矮星系。該模型除了能夠完美復現超高速恒星的速度和距離分布外，還能很好地解釋銀河系中心S星團的軌道大小和年齡分布，以及超大質量黑洞Sgr A*的自行速度。
這一發現不僅解釋了超高速恒星的速度分布，還為理解銀河系中心超大質量黑洞的形成演化歷史提供了新視角。未來，隨著詹姆斯·韋布空間望遠鏡等更先進觀測設備的投入使用，科學家有望發現更多超高速恒星，從而更深入地了解銀河系中心的演化歷史。
北京大學物理學院天文學系博士生曹春洋為文章第一作者，劉富坤為文章通訊作者，中國科學院國家天文臺李碩、北京大學天文學系陳弦和科維理天文與天體物理研究所王科是文章的共同作者。研究成果得到了國家自然科學基金創新群體的支持。
文章鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adbbf2
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