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超致密恒星系统

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超致密恒星系统（英语：Hypercompact stellar system，HCSS）是一个被从星系中心弹出后，围绕超大质量黑洞（SMBHs）的恒星团。较靠近黑洞的恒星在被从星系中弹出后，会被黑洞吸引而形成超致密恒星系统。超致密这个词是由于此系统与其他具有相同光度的系统相比尺寸较小，因为超质量黑洞的重力让星团中的恒星在很窄的轨道上绕著星团中心运动。

马克仁177（英语：Markarian 177）星系旁的明亮X射线光源 SDSS 1113 极有可能是HCSS，它的存在可以证实重力波的反作用力理论（gravitational wave recoil），并证明超大质量黑洞的确可以存在于星系之外。

性质

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天文学家们相信超大质量黑洞能借由重力波的反作用力，从星系中心被向外弹射。这种情形会发生在双黑洞系统的合并过程，当系统以重力波的形式丧失能量时，重力波并不是均匀向外发射的，有些动量会传递到合并的黑洞们上，相当于它们在合并的瞬间感受到了一股“反作用力”，好像这些黑洞被“踢”了一下。电脑模拟显示这一“踢”大约造成黑洞以[1] 向外移动，这已经超过了即便是所有星系[2]的脱离速度。

如果那一“踢”的速度Vk比恒星原本的轨道速度还快，原本围绕著超大质量黑洞的恒星们在黑洞感受到反作用力的瞬间会被黑洞拖著走。这也是决定超致密恒星系统大小的原理：系统的半径大约等于在黑洞合并瞬间，双黑洞系统中轨道速度约等于踢动速度的轨道大小

在上式中，M是超大质量黑洞的质量且G为重力常数。当踢动速度是且黑洞的质量是一亿倍太阳质量时，HCSS的大小R大概是0.5个秒差距（pc，相当于两光年）。最大的HCSS半径大约为20个秒差距，大概跟一个大型球状星团一样大；最小的HCSS大概只有千分之一秒差距大，比任何已知的星团都还要小。[3]

在黑洞被“踢”出星系外后仍然围绕著黑洞的恒星数目取决于踢动速度Vk以及在原本的双黑洞系统中恒星分布的紧密程度。有些理论认为系统中恒星的质量大约等于或少于黑洞质量的0.1%。[3]最大的HCSS大约会乘载数百亿个恒星，使得他们的亮度与球状星团或矮星系约略相同。

除了组成非常紧密以外，HCSS的特殊之处在于其质量由于中心黑洞的影响，与一般的星团相比极为巨大。超质量黑洞本身很暗且难以观测，但其重力导致周围的恒星会用比一般的星团更高的速度绕行。一般星团中恒星运动的速度大约在每秒几公里之间，但在HCSS中每个恒星都移动得比当初的踢动速度Vk快，大概是每秒几百或几千公里。

如果踢动速度比恒星的脱离速度小，超大质量黑洞会掉回星系中间，并在星系之间来回震荡并达到平衡。[4] 即便HCSS脱离原本的星系，它还是在同一个星系团或星系群的范围里，因为星系团或星系群的脱离速度比单一星系来的大许多。当HCSS被观测到时，由于它将通过星系或星团的重力位能井，HCSS实际上应该动得比踢动速度Vk来的慢许多。HCSS中的恒星与星系中心会观察到的恒星相近，也就是说这些恒星会有较高的金属丰度且比典型的球状星团还要年轻。[3]

相关研究

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由于HCSS中心的黑洞无法观测到，因此HCSS看起来就像非常微弱的一团恒星。区分一般聚集起来的恒星与HCSS的方法是透过都普勒红移测量恒星的轨道速度，因为HCSS中恒星的移动速率会比一般聚在一起的恒星移动速率更快。这样的观测并不容易实现，因为HCSS相对其他恒星来说是非常微弱的，即便是非常巨大的天文望远镜也要花上好几个小时搜集光源才能观测到。

星系团是最有可能找到HCSS的地方。首先，星系团中的星系大部分都是椭圆星系，这类的星系通常经由星系合并所形成。星系合并是形成双超质量黑洞系统的先决条件，才有可能发生黑洞合并并向外产生重力波而“踢”动其他黑洞并形成HCSS；其次，由于来自主星系的逃逸速度足够大，即便HCSS逃离它原本的主星系，也会被保留在附近。

科学家们估计，邻近的室女座星系团与天炉座星系团可能有成千上百个HCSS[3]。对这些星系团中的星团与较紧密的星系进行深入的观测后，我们发现有些过去被认为是一般星团的天体很可能是HCSS。然而根据观测，其中虽然有些紧致的天体有很高的内部速度，却没有一个有够高的速度以至于可以直接被认定为HCSS。[5]

另一个可能会出现HCSS的地方是最近星系合并旺盛的地方。HCSS中心的黑洞时不时会吞噬一颗离它太近的黑洞，进而产生非常明亮的斑点。有些类似的斑点可以在星系的中心被观测到，有可能是星星太靠近星系核中的超值亮黑洞所造成。.[6] 而根据估计，形成HCSS的黑洞在逃离星系中心时会破坏大约十二颗恒星。[7] 然而，斑点存在的时间只有几个月，因此除非大范围的进行调查，否则很难观测到类似的事件。除此之外，HCSS中的恒星也可能爆炸而成为第一型超新星（白矮星）。[7]

重要性

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HCSS的发现与研究有以下几项重要性：

  • 证实超质量黑洞有可能存在于星系之外。
  • HCSS的存在将证实有些星系中没有超质量黑洞的存在。这将对将星系成长理论与超质量黑洞成长理论连结起来的理论，以及超质量黑洞的质量与星系特性之间的关联产生重要影响。
  • 如果可以观测到HCSS，则可以回推踢动速度的分布，让我们对星系合并的历史、双黑洞的自旋与质量有更深的了解。

参见

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资料来源

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  1. ^ Healy, J.; Herrmann, F.; Shoemaker, D. M.; Laguna, P.; Matzner, R. A.; Matzner, Richard, Superkicks in Hyperbolic Encounters of Binary Black Holes, Physical Review Letters, 2009, 102 (4): 041101–041105, Bibcode:2009PhRvL.102d1101H, PMID 19257409, arXiv:0807.3292 可免费查阅, doi:10.1103/PhysRevLett.102.041101 
  2. ^ Merritt, D.; Milosavljevic, M.; Favata, M.; Hughes, S. A.; Holz, D. E., Consequences of Gravitational Radiation Recoil, The Astrophysical Journal, 2004, 607 (1): L9–L12, Bibcode:2004ApJ...607L...9M, arXiv:astro-ph/0402057 可免费查阅, doi:10.1086/421551 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Merritt, D.; Schnittman, J. D.; Komossa, S., Hypercompact Stellar Systems Around Recoiling Supermassive Black Holes, The Astrophysical Journal, 2009, 699 (2): 1690–1710, Bibcode:2009ApJ...699.1690M, arXiv:0809.5046 可免费查阅, doi:10.1088/0004-637X/699/2/1690 
  4. ^ Gualandris, A.; Merritt, D., Ejection of Supermassive Black Holes from Galaxy Cores, The Astrophysical Journal, 2008, 678 (2): 780–796, Bibcode:2008ApJ...678..780G, arXiv:0708.0771 可免费查阅, doi:10.1086/586877 
  5. ^ Mieske, S.; Hilker, M.; Jordán, A.; Infante, L.; Kissler-Patig, M.; Rejkuba, M.; Richtler, T.; Côté, P.; et al, The nature of UCDs: Internal dynamics from an expanded sample and homogeneous database, Astronomy and Astrophysics, 2008, 487 (3): 921–935, Bibcode:2008A&A...487..921M, arXiv:0806.0374 可免费查阅, doi:10.1051/0004-6361:200810077 
  6. ^ Komossa, S., The Extremes of (X-ray) Variability Among Galaxies: Flares from Stars Tidally Disrupted by Supermassive Black Holes, Proceedings of the International Astronomical Union 2004: 45–48, 2004 [2019-10-09], doi:10.1017/S1743921304001425, （原始内容存档于2016-03-03） 
  7. ^ 7.0 7.1 Komossa, S.; Merritt, D., Tidal Disruption Flares from Recoiling Supermassive Black Holes, The Astrophysical Journal, 2009, 683 (1): L21–L24, Bibcode:2008ApJ...683L..21K, arXiv:0807.0223 可免费查阅, doi:10.1086/591420 

外部链接

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