如果天文學家想要了解超大質量黑洞是如何形成的，必須從小黑洞開始。事實上，包括密歇根大學天文學家埃琳娜·加洛在內的一個研究小組已經發現，在銀河系附近一個名為NGC 4395的矮星系中心有一個黑洞，比之前認為的要小40倍左右，其研究發現發表在《自然天文學》上。目前，天文學家認為超大質量黑洞位於每個星系的中心，其質量與銀河系相當，甚至更大，但對較小星系中的黑洞也很好奇，比如ngc4395。
知道NGC 4395中心黑洞的質量並能夠準確地測量它，可以幫助天文學家將這些技術應用於其他黑洞。小星系或矮星系的問題仍然懸而未決：這些星系有黑洞嗎？如果有，它們的規模是否和超大質量黑洞一樣？回答這些問題可能會幫助我們瞭解這些巨型黑洞在宇宙初期形成的機制。為了確定NGC黑洞的質量，研究人員使用了混響圖。這項技術通過監測黑洞周圍的吸積盤釋放出的輻射來測量質量，吸積盤是由黑洞引力所聚集的物質質量。
- （博科園-圖示）美國宇航局斯皮策太空望遠鏡以紅外線捕捉到NGC 4395星系。NGC 4395比銀河系小1000倍，包括密歇根大學Elena Gallo在內的一組天文學家已經確定了該中心黑洞的質量。圖片：NASA
當輻射從吸積盤向外傳播時，它會穿過離黑洞更遠的另一片物質雲，這片物質雲比吸積盤擴散得更廣，這個區域被稱為寬線區域。當輻射擊中寬線區域的氣體時，它會使其中的原子發生躍遷。例如，這意味著輻射將電子從氫原子的殼層中撞出，使原子佔據了原子中能量更高的能級。輻射過後，原子又恢復到原來的狀態。天文學家可以想象這種轉變，它看起來像一道閃光。通過測量吸積盤輻射到達寬線區域並引起這些閃光所需的時間，天文學家可以估算出寬線區域離黑洞有多遠。
利用這些信息，可以計算出黑洞的質量。這個距離被認為取決於黑洞的質量，黑洞越大，距離就越大，從吸積盤發出的光到達寬線區域的時間也就越長。利用MDM天文臺的數據，天文學家計算出，輻射從吸積盤到達寬線區域大約需要83分鐘。為了計算黑洞質量，還必須測量寬線區域的固有速度，即區域雲在黑洞重力影響下移動的速度。為了做到這一點，科學家用雙子座北望遠鏡上的GMOS光譜儀拍攝了高質量光譜。通過知道這個數字，寬線區域的速度，光速以及所謂的引力常數，或者引力的測量。
天文學家們能夠確定黑洞質量大約是太陽質量的10000倍——比之前認為的輕40倍，這也是通過混響映射發現的最小黑洞。就矮星系中心黑洞的性質而言，矮星系這種狀態基本上還沒有被探索過。甚至不知道是否每個星系都有一個黑洞，這為我們所掌握的黑洞家族增添了一個新成員。這些信息也可以幫助天文學家瞭解黑洞對星系的形狀影響有多大。一個叫做黑洞反饋的領域探索了黑洞如何在比引力應該達到的更大尺度上影響宿主星系的性質。
那些生活在比黑洞引力主導區域大數量級的恆星，甚至不應該知道它們的星系中有一個黑洞，但它們確實知道。黑洞以某種方式塑造了它們生活在非常大尺度上的星系，因為我們對擁有更小黑洞的更小星系瞭解不多，所以不知道這是不是真的。通過這種測量，可以為這種關係添加更多的信息。這一結果是由密歇根大學天文學與首爾國立大學物理與天文學系合作得出。觀測是在夏威夷雙子座北天文臺和亞利桑那州MDM天文臺進行。
博科園｜研究/來自：密歇根大學
參考期刊《自然天文學》
DOI: 10.1038/s41550-019-0790-3
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