通过利用太空中的自然透镜,天文学家捕捉到了对早期宇宙黑洞系统 X 射线,并实现了前所未有的观察。


美国宇航局的钱德拉 X 射线天文台首次使用这种放大镜来锐化 X 射线图像。它捕获了通常距离太远而无法使用现有 X 射线望远镜进行研究的黑洞的详细信息。


天文学家应用了一种称为“引力透镜”的现象,当来自远处物体的光所经过的路径被大量集中的质量(例如星系)沿着视线弯曲时,就会发生这种现象。这种透镜可以大量放大和放大光,并创建同一物体的重复图像。这些重复图像的配置可用于破译对象的复杂性并锐化图像。


太空中的自然透镜有妙用!“引力透镜”实现对早期宇宙黑洞系统 X 射线的深度观察

图片来源:插图:NASA/CXC/M。魏斯;X 射线(插图):NASA/CXC/SAO/D


新研究中的引力透镜系统称为MG B2016+112。钱德拉探测到的 X 射线是在宇宙只有 20 亿年的时候由这个系统发射的,而它现在的年龄接近 140 亿年。


“如果我们没有这样的天然放大镜,我们在 X 射线中观察和理解如此遥远物体的努力将注定失败,”哈佛和史密森尼天体物理中心 (CfA) 的丹施瓦茨说,他领导了这项研究。


最新研究建立在共同作者 Cristiana Spingola 目前在意大利博洛尼亚的意大利国家天体物理研究所 (INAF) 领导的早期工作的基础上。通过对 MG B2016+112 的无线电观测,她的团队发现了一对快速增长的超大质量黑洞的证据,它们相距仅约 650 光年。他们发现两个候选黑洞都可能有喷流。


使用基于无线电数据的引力透镜模型,施瓦茨和他的同事得出结论,他们从 MG B2016+112 系统检测到的三个 X 射线源一定是由两个不同物体的透镜引起的。这两个发射 X 射线的物体很可能是一对正在增长的超大质量黑洞,或者是一个正在增长的超大质量黑洞及其喷流。这两个物体的估计分离与无线电工作一致。


之前钱德拉对不断增长的超大质量黑洞的成对或三重奏测量通常涉及离地球更近的物体,或者物体之间的间距更大。以前曾观察到距地球更远距离的 X 射线射流,当宇宙只有其当前年龄的 7% 时会发出光。然而,喷流的发射与黑洞相距约 160,000 光年。

太空中的自然透镜有妙用!“引力透镜”实现对早期宇宙黑洞系统 X 射线的深度观察

目前的结果很重要,因为它提供了关于早期宇宙中黑洞生长速度和探测可能的双黑洞系统的关键信息。引力透镜放大了来自这些遥远天体的光,否则这些天体太微弱而无法检测到。从 MG B2016+112 中的一个物体检测到的 X 射线光可能比没有透镜时亮 300 倍。


Spingola 说:“天文学家发现了质量比我们的太阳大数十亿倍的黑洞,它们是在大爆 炸后数亿年形成的,当时宇宙的年龄只有其当前年龄的百分之几。我们想解开这些超大质量黑洞如何如此迅速地增加质量的谜团。”


引力透镜效应的提升可能使研究人员能够估计有多少包含两个超大质量黑洞的系统具有足够小的间隔,以产生未来可以用天基探测器观测到的引力波。


“在许多方面,这个结果是这个‘放大镜’如何帮助我们揭示遥远超大质量的物理激动人心的验证的概念黑洞的新方法。如果没有这种效果钱德拉将不得不遵守它。”CfA 和 Jagiellonian 大学的合著者 Anna Barnacka 说,她开发了将引力透镜变成高分辨率望远镜以锐化图像的技术。


“多亏了引力透镜,钱德拉观测可能能够区分黑洞对和黑洞加喷流解释。我们也期待在未来应用这种技术,特别是在主要新光学和无线电设施的调查中即将上线将提供数以万计的目标,”施瓦茨总结道。


MG B2016+112 中一个天体的 X 射线位置的不确定性在一个维度上为 130 光年,在另一个垂直维度上为 2,000 光年。这意味着源可能位于的区域的大小比没有透镜的典型钱德拉源的相应区域小 100 多倍。这种位置确定的精度在 X 射线天文学中对于该距离的源而言是无与伦比的。


一篇描述这些结果的论文发表在《天体物理学杂志》八月号上。



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