中等质量黑洞究内容

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1、中等质量黑洞研究内容：1、背景广义相对论所预言的黑洞是一种非常奇特的天体，描述它只需三个参量（质量、角动量和电荷），但它的种种特性又非常迷人。例如，宇宙中许多剧烈活动现象（如X射线双星、γ射线暴、活动星系核[AGN]等）都与它密切相关，因而它在探索基本物理理论以及宇宙演化中有着极其重要的作用。在天文观测上，目前已知的黑洞可以分为两类：一类是“恒星质量黑洞”，它们的质量大约是5－20M☉(太阳质量），是大质量恒星演化的产物；另一类是“超大质量黑洞”，质量69大约是2x10－3x10M☉，位于星系的中心（Kormendy2004）。那么一个自然而来的问题就是：是否存在质量介于

2、这两类之间的“中等质量黑洞”？在等级式宇宙论的星系形成模型中，超大质量黑洞是从中等质量的“种子”黑洞通过吸积或者并合生长而成；类星体的研究也强烈支持这个观点（e.g.,36Gnedin2001）。这意味着很可能也有大量的质量在10－10M☉范围的中等质量黑洞，因为条件不足未能长大而仍然存留在当今宇宙中（e.g.,Islam,Taylor&Silk62004）。实际寻找中等质量黑洞是非常困难的。对于质量小于10M☉的黑洞，由于它们的影响半径太小，传统的基于恒星或者气体动力学的直接测量方法只能应用到距离很近的少数几个星系（M33:Gebhardtetal.2001,Merri

3、ttetal.2001;NGC205:Vallurietal.2005），或者大质量球状星团上（Gebhardtetal.2001;Gerssenetal.2002;但另见Baumgardtetal.2003a,b等）；这些观测只能给出大约34310－10M☉的质量上限，不能给出是否存在质量10M☉量级的黑洞的明确结论（见vanderMarel2004综述）。另外，有研究者认为“极亮X射线源”（ULX,LX≥39-110ergs）中藏有中等质量黑洞，但它们的高X射线光度也可被一些恒星质量黑洞吸积模型所解释，因此目前还没有定论（详见Miller&Colbert2004综述）

4、。6目前看来，最有希望找到质量10M☉以下的中等质量黑洞的地方是在位于小星系中心的低光度AGN中。我们可以根据吸积过程的辐射特征（发射线，射电、X射线辐射等）来证认AGN，然后根据宽线区reverberationmapping、线宽－光度－Virial质量关系或者根据寄主星系的恒星速度弥散等来确定中心黑洞质量。已有令人信服的证据表明至少三个矮星系的中心存在中等质量黑洞。①NGC4395(Filippenko&Ho2003)，用宽线区reverberationmapping的方法测出它5的中心黑洞质量MBH=(3.6+/-1.1)x10M☉(Petersonetal.200

5、5)；②POX52，5MBH=1.6x10M☉(Barthetal.2004)；③我们最近发现的SDSSJ1605+1748，14MBH=7x10M☉(Dongetal.2007)。众所周知，超大质量黑洞的质量与寄主星系核球的光度、质量（Magorrianetal.1998;Marconi&Hunt2003）、恒星速度弥散（Ferrarese&Merritt2000;Gebhardtetal.2000）、集中度（Grahametal.2001）等性质紧密相关，而与星系盘的有关性质无关（Kormendy&Gebhardt2001）。但这三例中等质量黑洞的寄主星系有一些非常令

6、人吃惊的性质。NGC4395是一个无核球的极晚型（Sdm）旋涡星系；POX52是矮椭圆星系（dE）；SDSSJ1605+1748是一个矮盘星系，中心有一个盒状的成分——可能是伪核球（pseudobulge，Kormendy1993）或核区棒（nuclearbar）。矮椭圆星系在基本平面上的分布是与正常椭圆星系以及早型盘星系中的经典核球明显分开的，一般认为它的起源与星系盘相关（Kormendy1985）；同样，盘星系的伪核球、棒等成分是由星系盘的动力学不稳定性形成的，与星系并合形成的经典核球根本不同（Kormendy&Kennicutt2004）。这样就出现了与“超大质量黑

7、洞－核球相关性”似乎矛盾的新情况：核球不是大质量黑洞形成的必要条件！由于中等质量黑洞及其寄主星系的特殊性，研究它们有非常重大的意义。其一，目前我们还不清楚超大质量黑洞的形成机制，对中等质量黑洞的研究，可以检验和限制各种超大质量黑洞形成理论。其二，超大质量黑洞的质量与寄主星系核球性质的相关性表明星系与超大质量黑洞是共同演化的；目前我们不清楚这种共同演化的内在机制，不清楚相关关系是在哪个演化阶段建立起来的。通过对中等质量黑洞及其寄主星系的研究，我们可以了解这种相关关系在中等质量段的形式，理解大质量黑洞与星系的演化。其三，有助于我们