是什么把其中一个宇宙中最重的黑洞炸飞了

一项新的调查提供了迄今为止关于一个正在“流浪”的超大质量黑洞的最确凿证据。
Shadow of a black hole
首张黑洞照片,周围环绕着炽热的气体。天文学家发现,一个遥远星系中的类似天体可能正在移动。事件视界望远镜合作项目等。

天文学家确定,一个巨大的黑洞位于距离地球2.2亿多光年的一个星系中心,正以每小时11万英里的惊人速度横冲直撞。

考虑到该天体的质量,其速度尤其引人注目。黑洞的质量大小不一。最轻的黑洞质量“仅”相当于太阳的几倍——而我们的太阳质量约等于我们整个太阳系中所有行星、小行星、彗星和尘埃的总质量的500倍。研究人员经常会探测到由质量相当于几十个太阳的普通黑洞碰撞引起的时空扰动。但这个巨大的黑洞质量却相当于近300万个太阳。如此巨大的质量使其成为一个“超大质量”黑洞——研究人员认为,这种天体位于几乎所有星系的中心,吞噬着围绕它旋转的混乱的气体和尘埃。

尽管超大质量黑洞很重要且无处不在,但它们仍然是未解之谜。对天体物理学家来说,有些庞然大物似乎是“不可能”存在的:自从宇宙诞生以来,它们根本 就没有足够的时间 来积累如此巨大的质量。当星系碰撞并将它们的中心黑洞合并时,可能会发生快速增长,但物理学家不确定这是否真的会发生。当大型双星黑洞之间的距离仅有几光年时,它们往往会形成非常稳定的轨道,而 理论家们很难想象 是什么能够将这两个巨头推得足够近以完全融合。

为了解决这个谜团,研究人员需要捕捉到两个超大质量黑洞合并的瞬间——或者最好是合并后的残余。因此,天文学家一直在寻找“流浪”的巨兽(因为与同伴的撞击或被同伴吸引几乎是让这些巨大天体移动的唯一事件)。

哈佛-史密森天体物理学中心的天文学家多米尼克·佩斯(Dominic Pesce)在一封电子邮件中写道:“它们是超大质量黑洞成长过程的证据。”

经过多年的分析和观测,佩斯和他的合作者们现在已经发现了一个最有力的候选者。

寻找看不见的东西

他们的搜寻始于五年前。黑洞本身就像它的名字所暗示的那样黑暗,但它们会通过搅动附近的恒星、星云和气体形成一个剧烈旋转的盘状结构来宣告它们的存在。如果你能测量这个盘状结构的运动速度,你就可以推断出中心黑洞的任何运动。

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但这些盘状结构也并非易于观察,因此该团队利用了天然聚光灯——来自某些星系发出的水“巨型脉泽”。黑洞是“挑食”的吞噬者,当它们吞噬物质时,会喷射出能量,从而激发周围的水分子。

水蒸气然后利用与激光产生相同的过程发射能量,但发出的是微波而不是可见光(因此名为 *maser*,而不是 laser)。巨型脉泽是已知最亮的脉泽之一,其亮度相当于一千个太阳的光芒。

佩斯和他的同事们在2016年春季对十个星系的脉泽进行了调查,并于2018年 宣布,在一个星系中,巨型脉泽的运动表明该中心的超大质量黑洞似乎在以一种奇特的方向跳跃。

为了确定这一点,他们需要精确测定宿主星系的速度。他们获得了位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜和位于夏威夷的詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测时间,并进行了更仔细的观察。

超大质量星系戏剧的证据

在最近发表于《天体物理学杂志》的 结果 中,他们证实宿主星系确实似乎独立于其中心黑洞而移动。其他天文学家也发现了正在移动的超大质量黑洞的候选者(包括2017年发现的一个以惊人的每小时470万英里 速度 移动的黑洞),但据佩斯说,这个例子是迄今为止“最确凿的案例”。

由于只有超大质量黑洞才能移动另一个超大质量黑洞,研究人员认为这个天体一定是在一次与邻近星系的合并过程中被伴侣“踢”出来的。宿主星系的某些区域似乎也在以奇怪的方式移动,这支持了最近发生了一些星系“戏剧性事件”的说法。

该团队尚未知晓的是,这个超大质量黑洞目前处于这次“约会”的哪个阶段。它可能正朝着它的伴侣飞驰而去。它可能正与它的伴侣处于螺旋状缠绕中。或者,合并可能已经结束,新形成的复合黑洞可能正从碰撞地点飞离。

其他天文学家认为这个“流浪”黑洞的证据很有说服力,但指出,如果不知道它正朝哪个方向移动,这次观测就不能证明超大质量黑洞一定可以通过碰撞来增长。

马可·基亚贝雷(Marco Chiaberge)在巴尔的摩空间望远镜科学研究所任职,他曾在2017年帮助发现了一个超高速的超大质量黑洞候选者,他在一封电子邮件中写道:“作者提出了一个非常有前景的天体,尽管我不确定它是最好的案例。”“仍然有可能这个黑洞‘正在前往中心’,这意味着黑洞合并尚未发生。”

研究人员希望,通过进一步的观测,他们将能够弄清楚究竟发生了什么。

佩斯说:“对我来说,最令人兴奋的情况是,如果(这个星系)最终被证实拥有一个双黑洞系统。”因为天文学家知道的双黑洞对非常少。“当然,”他补充说,“两个黑洞比一个黑洞激动两倍。”

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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