太空探索：超級計算機在附近的銀河系中發現巨大的黑洞！

Lonestar超級計算機是大學德克薩斯高級計算中心的資源。圖片來源：TACC / UT-Austin。

得克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家Karl Gebhardt和馬克斯普朗克外星物理研究所的Jens Thomas利用新的計算機建模技術發現M87核心的黑洞，即附近最大的巨型星系，是兩到三個時間比以前想象的要大。

它的重量是太陽質量的64億倍，是最大質量的黑洞，但用強大的技術進行測量，並表明附近大型星系中可接受的黑洞質量可能相似。這對於星系如何形成和生長的理論產生了影響，甚至可能解決了長期存在的天文悖論。

Gebhardt本週將在加利福尼亞州帕薩迪納舉行的美國天文學會第214次會議上介紹這些結果。他們將於今年夏天晚些時候在天體物理學雜誌上發表，由Gebhardt和Thomas撰寫。

為了瞭解星系是如何形成和生長的，天文學家首先要了解有關今天星系的基本人口普查信息。它們是由什麼組成的？他們多大？它們的重量是多少？天文學家通過計算星系內軌道的恆星速度來測量最後一類星系質量。

托馬斯說，對總質量的研究很重要，但“關鍵是要確定質量是在黑洞，星星還是暗暈。你必須運行一個複雜的模型才能發現哪個是你擁有的組件越多，模型就越複雜。“

為了模仿M87，Gebhardt和Thomas使用了世界上最強大的超級計算機之一，即德克薩斯大學奧斯汀分校德克薩斯高級計算中心的Lonestar系統。Lonestar是戴爾Linux集群，擁有5,840個處理內核，每秒可執行62萬億次浮點運算。（今天的頂級筆記本電腦有兩個核心，每秒可以執行高達100億次浮點運算。）

Gebhardt和Jens的M87模型比之前的星系模型更復雜，因為除了模擬它的恆星和黑洞之外，它還考慮了星系的“暗暈”，一個圍繞星系的球形區域延伸到它的主要區域之外可見的結構，包含星系的神祕“暗物質”。

“在過去，我們一直認為黑暗光環很重要，但我們也沒有計算資源來探索它，”Gebhardt說。“我們之前只能使用星星和黑洞。在黑暗的光環中投擲，它的計算成本太高了。你必須去超級計算機。”

Lonestar的結果是M87黑洞的質量，是之前型號發現的數倍。

“我們根本沒想到它，”格布哈特說。他和Jens只是想在“那裡最重要的星系”上測試他們的模型，他說。

M87是近三十年前建造的中心黑洞的第一個星系之一，非常龐大且便於附近（以天文學術語表示）。當物質旋轉到黑洞附近時，它還有一個主動射流射出光線照射到星系的核心，讓天文學家研究黑洞吸引物質的過程。所有這些因素使M87成為“超大質量黑洞研究的錨點”，Gebhardt說。

M87的這些新結果，以及其他近期研究的暗示和他最近的望遠鏡觀察（準備中的出版物），使他懷疑最大質量星系的所有黑洞質量都被低估了。

這個結論“對於黑洞與星系的關係非常重要，”托馬斯說。“如果改變黑洞的質量，就可以改變黑洞與星系的關係。”

銀河系與黑洞之間存在著密切的關係，這使得研究人員能夠探索星系如何在宇宙時間內生長的物理學。增加最大質量星系中的黑洞質量將導致重新評估這種關係。

附近星系中黑洞的較高質量也可以解決類星體的悖論，類星體是極其遙遠星系中心的活躍黑洞，在較早的宇宙時代可見。

“有一個長期存在的問題，即類星體黑洞質量非常大--100億太陽質量，”格布哈特說。“但是在當地的星系中，我們從來沒有看到過那麼大的黑洞，而且差不多。懷疑之前，類星體群體是錯誤的，”他說。但“如果我們將M87的質量增加兩到三次，問題就會消失。”

今天的結論是基於模型的，但是Gebhardt還使用Gemini North Telescope和歐洲南方天文臺的超大望遠鏡上的新型強大儀器對M87和其他星系進行了新的望遠鏡觀測。他說這些數據將很快提交出版，支持目前基於模型的黑洞質量結論。

對於未來望遠鏡對銀河系暗暈的觀測，Gebhardt指出德克薩斯大學奧斯汀麥當勞天文臺的一種相對較新的儀器是完美的。

“如果你需要研究暈圈以獲得黑洞質量，那麼沒有比VIRUS-P更好的儀器，”他說。該儀器是一臺光譜儀。它將來自天文物體的光線分離成其分量波長，創建一個可以讀取的特徵，以找出物體的距離，速度，運動，溫度等。