寻找消失嘅黑洞：质量达太阳 100 亿倍，却踪迹全无

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转载：宇宙中存在住好多超大质量嘅黑洞，佢们一直在进行紧自己嘅饕餮盛宴：吞噬周围嘅天体。喺呢个过程度，黑洞周围会形成耀眼嘅吸积盘以及强大嘅喷流，呢啲都系人观测黑洞嘅重要线索。但係，巨型星系团Abell 2261嘅出现，却使科学家们却遭遇到‌黑洞研究嘅滑铁卢。本文经授权翻译自《纽约时报》，作者Dennis Overbye，原文标题Missing: One Black Hole With 10 Billion Solar Masses。

哈勃太空望远镜拍摄到嘅星系团 Abell 2261（左中）。佢嘅直径约为100万光年，是银河系直径嘅10倍。图片来自《纽约时报》

天文学家们相信，宇宙中几乎每个大星系嘅中心都潜藏住一个超大质量嘅黑洞，其质量是太阳嘅百万倍或数十亿倍。星系越大，其中心嘅黑洞就越大。

由于中心黑洞嘅质量通常同星系本身嘅质量一致，所以当十年前，太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）嘅马克·波斯特曼（Marc Postman）用哈勃太空望远镜勘测星系团时，发现一个超巨型星系嘅中心没有黑洞嘅影子，哩个使人感到非常惊讶。正常情况下，由于巨型黑洞嘅强大引力，将分散嘅恒星以及行星吸附成为一个个嘅星系。噉就是点解星系嘅中心会闪闪发光嘅原因。

但是，呢个庞大星系嘅核心，本该星光点点，实际上却乜嘢都无。而且，一团直径约2万光年嘅恒星云，本应该是星系嘅中心，但并唔在佢该处嘅位置。

托德·劳尔（Tod Lauer）是一个美国星系核专家。当佢回忆起，马克发畀佢嘅呢个消息，依然止不住感叹：“哦，天呐，这真嘅好不寻常。”

在此后嘅几年里，这两位研究人员和佢们嘅同事一直在寻找嗰啲向黑洞坠落时产生嘅X射线或无线电波。

呢个消失嘅黑洞位于星系团Abell 2261（正式名称为：A2261-BCG）中心嘅巨大星系度，该星系距地球约27亿光年，位于北天嘅武仙星座，离织女星不远。据经验来睇，呢个黑洞嘅预估质量至少是太阳嘅100亿倍，其质量可以同宇宙中某啲最大嘅已知黑洞嘅质量相媲美。要知道，银河系中心嘅黑洞都只是太阳质量嘅400万倍左右。

那么，大自然究竟将呢个“巨无霸”藏在边里‌呢？

而家存在两种猜测：一种可能系，黑洞是存在嘅，但吞噬物质嘅速度太慢而无办法产生可检测嘅X射线信号；另一种可能性则是，呢个消失嘅黑洞被彻底“弹”出‌宿主星系嘅中心。

每个桃子里都有一个核

证明第二种可能性可以帮助人深入认识星系和宇宙演化嘅剧烈过程。但宇宙学家只是推测呢种可能性，目前仲未有直接证据来证明呢一事件确实发生过。

马克在一封电子邮件中写道：“我哋一直在试图揭开呢个谜团。即将发射嘅即将到来嘅詹姆斯·韦伯太空望远镜没准有希望助我哋一臂之力。”

“当从星系中喷射出一个超大质量黑洞时会发生乜嘢？”劳尔（Lauer）博士问道。

劳尔是一个自称为“Nukers”嘅非正式小组嘅成员。呢个小组几乎同哈勃望远镜同时诞生，由美国加州大学圣克鲁斯分校嘅桑德拉·法伯（Sandra Faber）发展壮大。喺过去嘅四十年度，佢们试图用哈勃望远镜和第啲天文仪器，来阐明星系核嘅本质，以探究遥远星系嘅中心。

劳尔讲：“A2261-BCG会系我哋讲述一个关于宇宙中最庞大嘅星系进化嘅故事。”

在银河系中心附近检测到嘅无线电信号表明，5000万年前那里曾发生过超大质量黑洞活动。图片来自《纽约时报》

黑洞是密度极高嘅物体，甚至连光都无办法逃脱佢们嘅引力“魔爪”。根据定义，人嘅肉眼是睇不到佢们嘅。但由于黑洞在吞噬物体时，会产生高速喷流和X射线，呢啲波段是可以被检测到嘅。20世纪60年代，天文学家在星系核心部分发现类星体，比太阳亮430万亿倍。天文学家认为这是由于超大质量嘅黑洞在吸引周围物质嘅过程度，呢啲物质彼此碰撞，喺黑洞周围释放巨大嘅能量。因此，产生发出巨大嘅光亮。

本世纪初，天文学家得出结论，每个星系嘅中心都藏住一个超大质量黑洞，其质量是太阳嘅几百万到几十亿倍。但呢啲黑洞到底从边里来嘅呢？有人推测，当一个恒星坍塌后，会形成质量好大、体积好小嘅黑洞。亦都有人认为，早在宇宙初期，黑洞通过别嘅方式就已形成嘎啦。没有一个人能畀出准确嘅答案。

黑洞是点样影响周围环境嘅呢？

1980年，三位天文学家米切尔·贝格尔曼（Mitchell Begelman）、马丁·里斯（Martin Rees）和罗杰·布兰德福德（Roger Blandford）发表‌一份关于黑洞对所处星系演变嘅影响嘅报告。佢们提出，两个星系碰撞、合并后会形成一个新嘅星系，同时每个星系中嘅中心黑洞合并而形成一个巨大嘅黑洞。每一个星系度，超大质量黑洞都会在合并期间沉入新合并星系嘅中心。

米切尔和佢嘅同事们认为，这两个巨大嘅黑洞在重力作用下互相束缚，轨道开始收缩。继而，黑洞同周围嘅恒星相互作用，黑洞嘅引力会将恒星推离中心，使两个黑洞之间嘅联系更加紧密。

随住时间嘅推移，越来越多嘅恒星会被“抛”出星系中心。渐渐地，曾经集中在星系中心嘅恒星们分散嘅越来越远，形成一个闪闪发光嘅漩涡。喺呢个漩涡中心，有一个小黑洞，噉里就是两个合并黑洞嘅“居住地”。

当劳尔谈起这三位伟大嘅天文学家时，说道：“佢们走在‌时代嘅前沿。”

一个棘手嘅问题

马克和劳尔认为，Abell 2261中曾经产生过黑洞合并。但是，星系团嘅中心并没有出现一个峰值，超大质量黑洞及其环绕左右嘅恒星仿佛凭空消失嘎啦。

噉就提出‌更戏剧性嘅可能性，即黑洞合并呢个情况早已经发生嘎啦。当黑洞合并时，会产生引力波（1916年，爱因斯坦首次提出引力波假说）。百年之后，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）终于探测到‌引力波嘅存在。

该理论预测，当黑洞合并时，佢们会在时空中产生引力波嘅涟漪 。各个方向发出嘅波并唔均匀，如果产生嘅大量引力波在一个方向上明显强过另一个方向，则可能将新嘅大黑洞从星系嘅中心弹出来，这被称为反冲黑洞。

进一步仔细观察A2261-BCG后，人喺该星系中发现四个偏心恒星簇。那么，喺其中一个恒星簇度，会唔会藏住黑洞呢？

由美国西弗吉尼亚大学嘅莎拉·伯克·斯波拉尔（Sarah Burke-Spolaor）领导嘅一个团队，曾用哈勃和甚大阵射电望远镜（VLA）对四个恒星簇进行观测，并研究‌呢啲恒星簇中嘅恒星运动系咪足够高，以至于佢们暗示‌一个百亿太阳质量嘅黑洞。

不过佢们并没有得到满意嘅结论：其中两个恒星簇中均未发现明显嘅黑洞证据、对第三个恒星簇嘅测量存在巨大误差，仲要唔可以将其排除在外。

至于第四个恒星簇，因为内部运动过于微弱，以至于科学家无办法从此得出有效结论。莎拉表示道：“我哋需要用哈勃太空望远镜对呢个恒星簇进行数百个钟头嘅观测。”不过，佢仍是失踪黑洞藏匿地点嘅候选者。

星系嘅核心都会发出无线电波，但佢们对研究没有帮助。

“我哋原本希望无线电波能为我哋提供某种信号，但系以让我哋发现一条活跃嘅喷流，直接指向黑洞嘅位置，”莎拉说。但在星系中心附近检测到嘅无线电发射表明，呢个星系中心嘅最后一次超大质量黑洞活跃嘅迹象，出而家5千其年前。这意味住，自从喷流消失后，呢个巨型黑洞有足够嘅时间移动到第啲地方。

在使用哈勃望远镜失败后，人便转向美国宇航局嘅钱德拉X射线天文台。研究人员将望远镜对准‌Abell 2261星团核心和嗰啲可疑嘅恒星簇。同样，没有任何新嘅发现。研究人员表明，如果假设呢个黑洞真实存在嘅话，，佢必须以百万分之一嘅速度吞噬周围嘅物体。

同样哋，英国萨里大学嘅伊姆兰·纳西姆（Imran Nasim）发表‌一份详细嘅报告，分析‌两个超大质量黑洞嘅合并将点样将银河系改造成而家人睇到嘅模样。

伊姆兰表示：“简单嚟讲，引力波嘅反冲力将超大质量黑洞‘踢’出星系。“在失去黑洞嘅巨大引力后，周围嘅恒星云分布变得更加弥漫。星团中心是成个巨行星系中星团密度最高嘅地方，但只有银河系附近恒星密度嘅十分之一。

以上所有，都系天文学家热切期待詹姆斯·韦伯太空望远镜发射嘅原因。佢是哈勃望远镜嘅“继任者”，暂定于今年10月底发射。詹姆斯·韦伯太空望远镜一经发射，便能够揭示出在银河系中心或恒星团之一度，系咪存在一个超大质量黑洞。

 

译者：Soleil