天文学家发现望远镜数据中神秘地缺乏大质量黑洞背后的原因

2015年，LIGO设施首次探测到引力波。它们是由两个质量为太阳几十倍的大质量黑洞在合并过程中发出的。这一发现震撼了宇宙，也震撼了天文界，因为很少有天文学家预测到如此巨大的黑洞会存在，更不用说它们会合并了。在引力波探测之前，我们的传统望远镜已经在大约20个案例中发现了恒星质量黑洞存在的证据。然而，从来没有发现过像现在通过合并过程中发出的引力波辐射观察到的那样大的黑洞。到现在为止，大约有50个这样的合并黑洞对被探测到，包括欧洲的Virgo探测器在大多数情况下也是涉及大质量黑洞。传统意义上的天文望远镜仍然没有发现这种黑洞。

这种差异可以部分解释为引力波探测器探测到的宇宙体积更大。LIGO-Virgo可以更容易地发现这种质量更大的黑洞，因为它们的波相对于来自较轻的黑洞的波更强，这意味着这些黑洞可能是罕见的，但声音很大的事件。但是使用望远镜对这种黑洞的探测为零？黑洞，或者至少是它们的近距离环境，在它们慢慢吞噬一颗伴星时亮起。通过对这颗无助的恒星的轨道运动的测量，可以确定黑洞的质量。

使用基于电磁辐射（EM）的测量只发现了质量小于约20个太阳质量的恒星黑洞（紫色圆圈）。这些黑洞都有一颗伴星，它正在向黑洞损失质量。这个气体流揭示了黑洞的存在，对伴星运动的详细研究使得黑洞的质量可以被测量。

自2015年以来，LIGO/Virgo对两个黑洞合并时发出的引力波辐射的测量，使得几十个黑洞的质量被测量出来（蓝色圆圈）。这些黑洞通常比通过电磁辐射发现的黑洞质量更大。我们现在知道，缺乏通过电磁技术研究的大质量黑洞，可能是由于对寻找和研究大质量黑洞的偏见造成的。而LIGO/Virgo的测量结果有利于检测大质量黑洞，因为与合并的低质量黑洞的信号相比，它们合并的信号更“响亮”，因此可以从宇宙中更远的系统中检测到。尽管如此，LIGO/Virgo也在探测低质量的合并黑洞。在不久的将来，JWST望远镜将能够消除电磁偏差。由于它的敏感性，天文学家将能够测量位于被认为是最大质量黑洞所在的地方的黑洞候选系统的质量。

由Peter Jonker（Radboud大学/SRON）领导的一个天文学家小组意识到，天文望远镜的观测对探测大质量黑洞是有偏见的。原则上说，如果这种大质量黑洞从一颗伴星上吃下质量，就可以被观测到。然而，这些观测的情况在实践中太过困难，解释了为什么缺乏通过望远镜观测探测到大质量黑洞的情况。最大的黑洞是通过内爆大质量恒星形成的，而不是爆炸大质量恒星（"超新星"）。通过内爆形成的这些大质量黑洞在其前身（大质量恒星）诞生的地方保持原状，即银河系的平面。然而，这意味着它们仍然被尘埃和气体所笼罩。它们较轻的黑洞姐妹和兄弟，通过超新星爆炸从大质量恒星中诞生，经历了一个将它们弹出银河系平面的过程，使它们更容易被我们测量质量的望远镜观察到。

正如Jonker及其同事所意识到的那样，加剧这种偏见的是，大质量黑洞的任何伴星必须在相对较大的距离上运行，这使得伴星在可观察到的被吞噬的情况更加罕见。这样的事件是泄露黑洞的存在和位置的原因。因此，更大质量的黑洞将更少地泄露它们的位置。

即将于12月18日发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）将使天文学家们能够测试这些想法。JWST将首次允许测量银河系平面上的几个候选黑洞系统的质量。JWST将对红外光敏感，而这种光受尘埃和气体的影响比地面望远镜通常使用的光学光要小得多。此外，JWST的大尺寸，以及它在太空中的有利位置，使得JWST能够在银河系平面的数百万颗恒星中挑选出合适的恒星进行研究。最后，由于处于地球大气层之上，JWST不会受到大气层发出的红外光的阻碍。