寻找消失的黑洞:质量达太阳 100 亿倍,却踪迹全无

神译局2021-03-31
质量达太阳100亿倍的黑洞踪迹全无,它到底遇到了什么?

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编者按:宇宙中存在着许多超大质量的黑洞,它们一直在进行着自己的饕餮盛宴:吞噬周围的天体。在这个过程中,黑洞周围会形成耀眼的吸积盘以及强大的喷流,这都是人们观测黑洞的重要线索。然而,巨型星系团Abell 2261的出现,却使科学家们却遭遇到了黑洞研究的滑铁卢。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的星系团 Abell 2261(左中)。它的直径约为100万光年,是银河系直径的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的中心都潜藏着一个超大质量的黑洞,其质量是太阳的百万倍或数十亿倍。星系越大,其中心的黑洞就越大。

由于中心黑洞的质量通常与星系本身的质量一致,所以当十年前,太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)的马克·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的中心没有黑洞的影子,这让人们感到非常惊讶。正常情况下,由于巨型黑洞的强大引力,将分散的恒星以及行星吸附成为一个个的星系。这就是为什么星系的中心会闪闪发光的原因。

但是,这个庞大星系的核心,本该星光点点,实际上却什么也没有。而且,一团直径约2万光年的恒星云,本应该是星系的中心,但并不在它该处的位置。

托德·劳尔(Tod Lauer)是一名美国星系核专家。当他回忆起,马克发给他的这个消息,依旧止不住感叹:“哦,天呐,这真的很不寻常。”

在此后的几年里,这两位研究人员和他们的同事一直在寻找那些向黑洞坠落时产生的X射线或无线电波。

这个消失的黑洞位于星系团Abell 2261(正式名称为:A2261-BCG)中心的巨大星系中,该星系距地球约27亿光年,位于北天的武仙星座,离织女星不远。据经验来看,这个黑洞的预估质量至少是太阳的100亿倍,其质量可以与宇宙中某些最大的已知黑洞的质量相媲美。要知道,银河系中心的黑洞也只是太阳质量的400万倍左右。

那么,大自然究竟把这个“巨无霸”藏在哪里了呢?

现在存在两种猜测:一种可能是,黑洞是存在的,但吞噬物质的速度太慢而无法产生可检测的X射线信号;另一种可能性则是,这个消失的黑洞被彻底“弹”出了宿主星系的中心。

每个桃子里都有一个核

证明第二种可能性可以帮助人们深入了解星系和宇宙演化的剧烈过程。但宇宙学家只是推测这种可能性,目前还没有直接证据来证明这一事件确实发生过。

马克在一封电子邮件中写道:“我们一直在试图揭开这个谜团。即将发射的即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜没准有希望助我们一臂之力。”

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

劳尔是一个自称为“Nukers”的非正式小组的成员。这个小组几乎与哈勃望远镜同时诞生,由美国加州大学圣克鲁斯分校的桑德拉·法伯(Sandra Faber)发展壮大。在过去的四十年中,他们试图用哈勃望远镜和其他天文仪器,来阐明星系核的本质,以探究遥远星系的中心。

劳尔说:“A2261-BCG将为我们讲述一个关于宇宙中最庞大的星系进化的故事。”

在银河系中心附近检测到的无线电信号表明,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》

黑洞是密度极高的物体,甚至连光都无法逃脱它们的引力“魔爪”。根据定义,人们的肉眼是看不到它们的。但由于黑洞在吞噬物体时,会产生高速喷流和X射线,这些波段是可以被检测到的。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的黑洞在吸引周围物质的过程中,这些物质彼此碰撞,在黑洞周围释放巨大的能量。因此,产生发出巨大的光亮。

本世纪初,天文学家得出结论,每个星系的中心都藏着一个超大质量黑洞,其质量是太阳的几百万到几十亿倍。但这些黑洞到底从哪里来的呢?有人推测,当一个恒星坍塌后,会形成质量很大、体积很小的黑洞。也有人认为,早在宇宙初期,黑洞通过别的方式就已形成了。没有一个人能给出准确的答案。

黑洞是如何影响周围环境的呢?

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)发表了一份关于黑洞对所处星系演变的影响的报告。他们提出,两个星系碰撞、合并后会形成一个新的星系,同时每个星系中的中心黑洞合并而形成一个巨大的黑洞。每一个星系中,超大质量黑洞都会在合并期间沉入新合并星系的中心。

米切尔和他的同事们认为,这两个巨大的黑洞在重力作用下互相束缚,轨道开始收缩。继而,黑洞与周围的恒星相互作用,黑洞的引力会将恒星推离中心,使两个黑洞之间的联系更加紧密。

随着时间的推移,越来越多的恒星会被“抛”出星系中心。渐渐地,曾经集中在星系中心的恒星们分散的越来越远,形成一个闪闪发光的漩涡。在这个漩涡中心,有一个小黑洞,那里就是两个合并黑洞的“居住地”。

当劳尔谈起这三位伟大的天文学家时,说道:“他们走在了时代的前沿。”

一个棘手的问题

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

这就提出了更戏剧性的可能性,即黑洞合并这个情况早已经发生了。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)终于探测到了引力波的存在。

该理论预测,当黑洞合并时,它们会在时空中产生引力波的涟漪 。各个方向发出的波并不均匀,如果产生的大量引力波在一个方向上明显强过另一个方向,则可能将新的大黑洞从星系的中心弹出来,这被称为反冲黑洞。

进一步仔细观察A2261-BCG后,人们在该星系中发现四个偏心恒星簇。那么,在其中一个恒星簇中,会不会藏着黑洞呢?

由美国西弗吉尼亚大学的莎拉·伯克·斯波拉尔(Sarah Burke-Spolaor)领导的一个团队,曾用哈勃和甚大阵射电望远镜(VLA)对四个恒星簇进行观测,并研究了这些恒星簇中的恒星运动是否足够高,以至于它们暗示了一个百亿太阳质量的黑洞。

不过他们并没有得到满意的结论:其中两个恒星簇中均未发现明显的黑洞证据、对第三个恒星簇的测量存在巨大误差,还不能将其排除在外。

至于第四个恒星簇,因为内部运动过于微弱,以至于科学家无法从此得出有效结论。莎拉表示道:“我们需要用哈勃太空望远镜对这个恒星簇进行数百小时的观测。”不过,它仍是失踪黑洞藏匿地点的候选者。

星系的核心也会发出无线电波,但它们对研究没有帮助。

“我们原本希望无线电波能为我们提供某种信号,可以让我们发现一条活跃的喷流,直接指向黑洞的位置,”莎拉说。但在星系中心附近检测到的无线电发射表明,这个星系中心的最后一次超大质量黑洞活跃的迹象,出现在5千万年前。这意味着,自从喷流消失后,这个巨型黑洞有足够的时间移动到其他地方。

在使用哈勃望远镜失败后,人们便转向美国宇航局的钱德拉X射线天文台。研究人员将望远镜对准了Abell 2261星团核心和那些可疑的恒星簇。同样,没有任何新的发现。研究人员表明,如果假设这个黑洞真实存在的话,,它必须以百万分之一的速度吞噬周围的物体。

与此同时,英国萨里大学的伊姆兰·纳西姆(Imran Nasim)发表了一份详细的报告,分析了两个超大质量黑洞的合并将如何把银河系改造成现在人们看到的模样。

伊姆兰表示:“简单来说,引力波的反冲力将超大质量黑洞‘踢’出星系。“在失去黑洞的巨大引力后,周围的恒星云分布变得更加弥漫。星团中心是整个巨行星系中星团密度最高的地方,但只有银河系附近恒星密度的十分之一。

以上所有,都是天文学家热切期待詹姆斯·韦伯太空望远镜发射的原因。它是哈勃望远镜的“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中,是否存在一个超大质量黑洞。

 

译者:Soleil

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