NGC 1277的怪物：一个挑战理论的黑洞

NGC 1277中的超大质量黑洞 — NGC 1277星系的超大质量黑洞在其质量经过多次 successive 修正后，已被证明远不如2012年宣布的那样极端，但仍然是已知的与其宿主星系相比最不成比例的黑洞之一。
图片来源：哈勃望远镜拍摄的NGC 1277 NASA、ESA、Andrew C. Fabian（剑桥大学）/ Remco van den Bosch（马克斯·普朗克天文研究所）

科学摘要

Astronoo的文章介绍了NGC 1277，一个位于英仙座星系团的透镜状星系，其中心黑洞最初在2012年估计为170亿太阳质量，此后被多个独立团队向下修正，反而趋向于12亿至50亿太阳质量。即使经过向下修正，这一质量与黑洞和星系之间通常的协同演化关系所预期的相比仍然不成比例。光谱和光度观测表明其早期增长或特殊历史。2023年的一项研究还表明，NGC 1277在五个有效半径内几乎没有暗物质，对于这一质量的星系来说是一个额外的异常。NGC 1277因此成为测试超大质量黑洞形成模型、恒星动力学、暗物质以及强场 regime 下广义相对论的自然实验室。

为什么NGC 1277的黑洞挑战天体物理学理论？

本文致力于银河系NGC 1277的超大质量黑洞，该星系位于英仙座星系团中，距离约2.2亿光年。核心问题很简单：为什么这个宇宙怪物挑战天体物理学理论？答案首先在于其质量。2012年宣布为170亿太阳质量，即星系总恒星质量的约14%，这一估计被证明过高：对相同数据的 successive 重新分析，以及更高角分辨率的新观测，将黑洞质量修正到12亿至50亿太阳质量的范围内。即使如此修正，这一质量仍远高于将黑洞与其宿主星系光度联系起来的经验关系所预测的，而中心黑洞通常只占核球质量的0.1%至0.5%。这种不成比例继续质疑黑洞与其宿主星系之间的协同演化关系。此外，NGC 1277似乎是一个残存星系，几乎不活跃，由古老的恒星族群主导，根据最新观测几乎不含暗物质。因此，它可能保留了黑洞能够非常快速增长的时代的记忆。最后，这样一个天体允许测试广义相对论、恒星动力学、暗物质分布以及极端黑洞的统计。这就是它成为现代天体物理学卓越自然实验室的原因。

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黑洞

什么是黑洞？

黑洞是质量巨大的天体，其引力场如此强烈，以至于阻止任何形式的物质或辐射逃脱：恒星、行星、物质、能量，甚至光。黑洞由广义相对论理论描述。当死恒星的核心过于巨大而无法成为中子星时，它会不可阻挡地收缩，直到形成这个神秘的 astronomical 天体：黑洞。

从暗星到约翰·米歇尔

恒星质量黑洞的质量从几个太阳质量到数十亿太阳质量不等。它们诞生于大质量恒星残骸的引力坍缩之后。 18世纪已经有人预言了暗星的存在：英国物理学家、天文学家和地质学家约翰·米歇尔（1724-1793）。在他的笔记中，他写道，当恒星变得过于巨大时，它会在其引力的影响下吸引光。然而，由于他的计算得出恒星的密度相当于每立方厘米180亿吨，他得出结论这不可能存在。

超大质量黑洞NGC 1277的发现

英仙座星系团中的一个星系

NGC 1277是位于英仙座星系团中的一个透镜状星系，距离地球约2.2亿光年。由爱尔兰天文学家劳伦斯·帕森斯（1840-1908）于1875年发现，这个星系自2012年其异常巨大的中心黑洞被揭示以来，已成为一个优先研究对象。这个独特的系统挑战了星系形成的标准模型，并为天体物理学家提供了一个独特的窗口，以了解支配星系演化的极端过程。

修正后的质量：一场科学争议的故事

从170亿到数十亿太阳质量

van den Bosch及其同事（2012年）的最初公告基于Hobby-Eberly望远镜获得的相对较低角分辨率的光谱数据，提出了170亿（±30亿）太阳质量的质量，即恒星核球质量的约59%，星系总恒星质量的14%。这一公告立即在科学界引发了激烈辩论。

早在2013年，Eric Emsellem对相同数据的重新分析，使用不同的动力学建模（Jeans Anisotropic Modelling），表明质量可能被高估了，反而提出了20亿至50亿太阳质量量级的值，并表明完全没有大质量黑洞的模型也能合理地拟合数据。2016年，两个独立团队使用自适应光学以更高分辨率探测星系中心，确认了这一向下修正：Walsh及其同事使用Gemini North望远镜的NIFS光谱仪获得了（49±16）亿太阳质量的质量，而Graham及其同事使用Keck望远镜发现了约12亿太阳质量的上限质量，即黑洞/核球比率仅为0.45%，被认为符合在非矮椭圆星系中观察到的正常范围（0.1%至5.0%）。Krajnović及其同事（2018年）后来的研究使用相同高分辨率数据上的JAM型动力学建模，确认了接近45亿至49亿太阳质量的质量。

注：
NGC 1277黑洞的质量仍然是活跃科学辩论的主题。已发表的估计值根据所采用的方法和角分辨率（低分辨率长缝光谱、Schwarzschild建模、各向异性Jeans建模、自适应光学）从约12亿到170亿太阳质量不等。170亿这个经常在大众媒体中引用的值对应于2012年的最初公告，不再被认为是最佳可用估计：更高角分辨率的观测（Walsh et al. 2016; Graham et al. 2016; Krajnović et al. 2018）收敛于低数倍的质量。然而，即使是最低值也仍然明显高于黑洞质量–核球光度关系所预测的，这维持了这一天体的科学兴趣。

黑洞NGC 1277的异常特征

超乎寻常的性质

NGC 1277中心的超大质量黑洞表现出显著的性质：

修正后的质量：根据所采用的方法，在12亿至50亿太阳质量之间（相对于2012年最初宣布的170亿）
黑洞/核球比率：根据研究，约0.45%至2%（相对于2012年宣布的总恒星质量的~14%），与典型的~0.1%–0.5%相比
事件视界：根据所采用的质量，约为地球-太阳距离的25至100倍
吸积盘：尽管质量异常，活动性降低
暗物质：在五个有效半径内检测到的比例几乎为零（见下文专章）

NGC 1277超大质量黑洞的天体物理学意义

NGC 1277中超大质量黑洞发现的 astrophysical 意义是深远的，即使在其质量向下修正后，也挑战了星系天体物理学的若干范式。

对黑洞-星系协同演化关系的质疑

在标准模型中，星系及其中心黑洞共同演化：黑洞质量与星系的整体性质相关，如恒星速度弥散（M–σ关系）、核球质量或核球光度。即使质量修正为数十亿太阳质量，根据研究，NGC 1277的黑洞仍然比质量-光度关系所预测的高出一个数量级以上，同时与中心速度弥散约400 km/s的M–σ关系保持兼容。这种持续的不一致表明：

要么星系自形成以来失去了恒星质量（"贫血"星系），
要么黑洞异常快速地增长，
要么存在一类逃避经典协同演化关系的残存星系。

"巨大原初"黑洞的可能存在

一些模型表明，像NGC 1277这样的星系中的黑洞形成得非常早（z > 2），在星系形成的最初阶段，在非常密集且有利于快速增长的环境中（持续的准爱丁顿吸积、快速合并等）。因此，NGC 1277可能拥有一个来自类星体时代的化石黑洞，此后一直相对不活跃。一个更异端且有争议的替代假设提出，这个黑洞在两个巨大椭圆星系合并期间从邻近星系NGC 1275中被弹出，然后被NGC 1277捕获。

化石星系：年轻宇宙的见证者

NGC 1277是一个致密星系，透镜状，恒星形成非常不活跃，拥有古老的恒星族群（> 100亿年）和少量气体。这使它成为一个残存星系：

自z ≈ 2以来几乎没有演化，
自大质量星系形成时代以来没有合并或显著增加其质量。

被低估的极端黑洞统计

如果像NGC 1277这样的其他致密和古老星系也拥有不成比例的黑洞，那么：

局部宇宙中黑洞质量密度（Ω_BH）的统计估计可能被低估。
这影响对大规模河外源引力波探测的预测（例如由LISA）。

强曲率引力测试

NGC 1277黑洞的极端质量使其成为在强场 regime 下测试广义相对论的候选者：

对中心附近恒星动力学的影响，
发射线的相对论轮廓（如果存在盘），
理论上的Lense-Thirring进动（此处未观察到，但在一般框架中很有趣）。

2023年的重大发现：一个几乎不含暗物质的星系

前所未有的五个有效半径观测

2023年，由Sébastien Comerón和Ignacio Trujillo领导的团队在Astronomy & Astrophysics上发表了一项关于NGC 1277恒星运动学的深入研究，使用麦克唐纳天文台2.7米望远镜的George and Cynthia Mitchell光谱仪（GCMS）。这项研究使得能够在前所未有的6千秒差距半径，即约五倍有效半径处探测星系，覆盖范围远大于以前的研究。

使用各向异性Jeans动力学建模，团队确定NGC 1277中的暗物质比例在该体积内保持在5%以下（在2 sigma置信水平），而标准宇宙学模型（ΛCDM）预测对于在这种半径观察到的这类大质量椭圆星系，比例要高得多，约为60%。这一结果确认并扩展了在更有限体积上获得的更早迹象，即解释星系中心区域观察到的恒星运动学几乎不需要或完全不需要暗物质。

为什么会有这样的异常？

作者提出了两个主要的解释，并非相互排斥：要么NGC 1277很早就失去了暗物质晕，例如在英仙座星系团内遭受潮汐效应；要么它从一开始就没有暗物质晕，如果它是在富含气体的原星系碎片之间的高速碰撞（约2000 km/s）中形成的，在这个场景中，暗物质比重子更少耗散，会与正在形成的气体盘解耦。

这种大质量晕的缺失也解释了为什么NGC 1277从未吸积普通大质量椭圆星系特有的扩展恒星包层：没有实质性的暗物质晕，通常允许卫星星系通过吸积被捕获的动力学摩擦将大大减少，这将解释这个残存星系约100亿年来的"冻结"特征。

注：
作为比较，该研究强调，邻近星系NGC 1278，一个用相同仪器和相同视野观察的普通大质量椭圆星系，相反表现出完全符合标准模型预测的暗物质比例，这加强了NGC 1277案例的特殊性，而不是方法论偏差。

NGC 1277超大质量黑洞的观测方法

互补技术

对这个系统的研究依赖于几种互补的观测技术。每种方法"看到"的东西不同：一些测量恒星的运动，另一些测量光的分布，还有一些测量气体的动力学。通过交叉这些信息，天体物理学家设法探测不可见的东西：中心黑洞的质量和暗物质的分布。

具体来说，光谱学分析分解为波长的光。通过测量吸收线或发射线的多普勒频移，可以推断沿视线的恒星或气体速度。中心附近的恒星移动得越快，吸引它们的隐藏质量就越大。光度学则测量光度的分布以重建星系的结构。

技术	仪器	观察到的内容	关键结果
长缝光谱	HET（Hobby-Eberly望远镜）	沿穿过中心的细缝的恒星速度	首次质量估计（2012年），此后修正
自适应光学面光谱	Gemini North（NIFS）/ Keck	极高角分辨率下恒星速度的2D映射	高分辨率质量测量（2016年），明显较低
面光谱，广泛覆盖	麦克唐纳天文台（GCMS）	至5个有效半径（~6 kpc）的恒星速度	该半径内可忽略的暗物质比例（2023年）
高分辨率光度学	哈勃空间望远镜	光的分布和核球的表面轮廓	光度轮廓和核球结构
气体运动学	ALMA / IRAM	中心周围分子气体（CO）的运动	星际介质的动力学

参考文献

FAQ：关于NGC 1277需要了解的一切

NGC 1277是什么？

NGC 1277是位于英仙座星系团中的一个透镜状星系，距离地球约2.2亿光年。它最著名的是其中心的超大质量黑洞，根据研究，其质量现在估计在12亿至50亿太阳质量之间，这是在2012年最初宣布170亿太阳质量后经过多次向下修正的结果。

为什么说NGC 1277的黑洞是"极端"的？

即使在其质量向下修正后，它仍然被描述为极端，因为根据所采用的方法，它占星系恒星质量的约0.45%至2%，而中心黑洞通常只占0.1%至0.5%。这一比率以及与质量-光度关系的差异继续挑战黑洞与其宿主星系之间的经典协同演化关系。

经常引用的170亿太阳质量是否仍然有效？

不。这个值对应于van den Bosch及其同事在2012年的最初公告，基于相对较低角分辨率的数据。随后使用自适应光学获得更高分辨率的观测（Walsh et al. 2016; Graham et al. 2016; Krajnović et al. 2018）将这一质量向下修正到12亿至50亿太阳质量的范围内。然而，170亿这个值仍然在大众媒体中被广泛引用，往往没有提到这一修正。

天文学家如何测量NGC 1277黑洞的质量？

测量主要依赖于面光谱和对星系中心附近恒星速度弥散的分析。通过建模恒星的动力学，研究人员可以推断中心天体的质量。最新和最精确的测量使用自适应光学，这使得能够探测比最初观测更接近星系中心的区域。

NGC 1277真的挑战了黑洞-星系关系吗？

是的，部分如此。将黑洞质量与恒星速度弥散联系起来的M–σ关系在NGC 1277中仍然大致得到验证。然而，将黑洞质量与核球光度联系起来的关系，即使使用向下修正的质量估计，仍然被大幅超越。考虑了几种解释：恒星质量损失、黑洞非常早期的增长，或存在一类逃避经典关系的残存星系。

NGC 1277是一个化石星系吗？

它确实表现出化石星系的几个特征：致密、透镜状、贫气，并由古老的恒星族群主导。它似乎从遥远的时代以来几乎没有演化，使其成为大质量星系形成最初阶段的宝贵见证者。

NGC 1277真的缺乏暗物质吗？

是的，这是近年来引人注目的发现之一。2023年发表的一项研究显示，从覆盖星系至五个有效半径的新观测来看，那里的暗物质比例低于5%，远低于根据标准宇宙学模型对这一质量的星系所预期的~60%。这种异常可能与星系非常特殊的形成历史有关。

我们能直接观测NGC 1277的黑洞吗？

不，黑洞不能直接观测。它的影响通过其对周围恒星和气体的引力效应，以及当其活跃时其吸积盘发出的辐射来检测。在NGC 1277中，活动性降低，但恒星动力学使得能够推断其存在和质量。