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編者按：宇宙中存在著許多超大質(zhì)量的黑洞，它們一直在進(jìn)行著自己的饕餮盛宴：吞噬周圍的天體。在這個(gè)過(guò)程中，黑洞周圍會(huì)形成耀眼的吸積盤(pán)以及強(qiáng)大的噴流，這都是人們觀測(cè)黑洞的重要線索。然而，巨型星系團(tuán)Abell 2261的出現(xiàn)，卻使科學(xué)家們卻遭遇到了黑洞研究的滑鐵盧。本文經(jīng)授權(quán)翻譯自《紐約時(shí)報(bào)》，作者Dennis Overbye，原文標(biāo)題Missing: One Black Hole With 10 Billion Solar Masses。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的星系團(tuán) Abell 2261（左中）。它的直徑約為100萬(wàn)光年，是銀河系直徑的10倍。圖片來(lái)自《紐約時(shí)報(bào)》
天文學(xué)家們相信，宇宙中幾乎每個(gè)大星系的中心都潛藏著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的百萬(wàn)倍或數(shù)十億倍。星系越大，其中心的黑洞就越大。
由于中心黑洞的質(zhì)量通常與星系本身的質(zhì)量一致，所以當(dāng)十年前，太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（Space Telescope Science Institute）的馬克·波斯特曼（Marc Postman）用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡勘測(cè)星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)超巨型星系的中心沒(méi)有黑洞的影子，這讓人們感到非常驚訝。正常情況下，由于巨型黑洞的強(qiáng)大引力，將分散的恒星以及行星吸附成為一個(gè)個(gè)的星系。這就是為什么星系的中心會(huì)閃閃發(fā)光的原因。
但是，這個(gè)龐大星系的核心，本該星光點(diǎn)點(diǎn)，實(shí)際上卻什么也沒(méi)有。而且，一團(tuán)直徑約2萬(wàn)光年的恒星云，本應(yīng)該是星系的中心，但并不在它該處的位置。
托德·勞爾（Tod Lauer）是一名美國(guó)星系核專家。當(dāng)他回憶起，馬克發(fā)給他的這個(gè)消息，依舊止不住感嘆：“哦，天吶，這真的很不尋常?！?/p>
在此后的幾年里，這兩位研究人員和他們的同事一直在尋找那些向黑洞墜落時(shí)產(chǎn)生的X射線或無(wú)線電波。
這個(gè)消失的黑洞位于星系團(tuán)Abell 2261（正式名稱為：A2261-BCG）中心的巨大星系中，該星系距地球約27億光年，位于北天的武仙星座，離織女星不遠(yuǎn)。據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這個(gè)黑洞的預(yù)估質(zhì)量至少是太陽(yáng)的100億倍，其質(zhì)量可以與宇宙中某些最大的已知黑洞的質(zhì)量相媲美。要知道，銀河系中心的黑洞也只是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍左右。
那么，大自然究竟把這個(gè)“巨無(wú)霸”藏在哪里了呢？
現(xiàn)在存在兩種猜測(cè)：一種可能是，黑洞是存在的，但吞噬物質(zhì)的速度太慢而無(wú)法產(chǎn)生可檢測(cè)的X射線信號(hào)；另一種可能性則是，這個(gè)消失的黑洞被徹底“彈”出了宿主星系的中心。
證明第二種可能性可以幫助人們深入了解星系和宇宙演化的劇烈過(guò)程。但宇宙學(xué)家只是推測(cè)這種可能性，目前還沒(méi)有直接證據(jù)來(lái)證明這一事件確實(shí)發(fā)生過(guò)。
馬克在一封電子郵件中寫(xiě)道：“我們一直在試圖揭開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。即將發(fā)射的即將到來(lái)的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡沒(méi)準(zhǔn)有希望助我們一臂之力?！?/p>
“當(dāng)從星系中噴射出一個(gè)超大質(zhì)量黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生什么？”勞爾（Lauer）博士問(wèn)道。
勞爾是一個(gè)自稱為“Nukers”的非正式小組的成員。這個(gè)小組幾乎與哈勃望遠(yuǎn)鏡同時(shí)誕生，由美國(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校的桑德拉·法伯（Sandra Faber）發(fā)展壯大。在過(guò)去的四十年中，他們?cè)噲D用哈勃望遠(yuǎn)鏡和其他天文儀器，來(lái)闡明星系核的本質(zhì)，以探究遙遠(yuǎn)星系的中心。
勞爾說(shuō)：“A2261-BCG將為我們講述一個(gè)關(guān)于宇宙中最龐大的星系進(jìn)化的故事?！?/p>
在銀河系中心附近檢測(cè)到的無(wú)線電信號(hào)表明，5000萬(wàn)年前那里曾發(fā)生過(guò)超大質(zhì)量黑洞活動(dòng)。圖片來(lái)自《紐約時(shí)報(bào)》
黑洞是密度極高的物體，甚至連光都無(wú)法逃脫它們的引力“魔爪”。根據(jù)定義，人們的肉眼是看不到它們的。但由于黑洞在吞噬物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高速噴流和X射線，這些波段是可以被檢測(cè)到的。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家在星系核心部分發(fā)現(xiàn)類星體，比太陽(yáng)亮430萬(wàn)億倍。天文學(xué)家認(rèn)為這是由于超大質(zhì)量的黑洞在吸引周圍物質(zhì)的過(guò)程中，這些物質(zhì)彼此碰撞，在黑洞周圍釋放巨大的能量。因此，產(chǎn)生發(fā)出巨大的光亮。
本世紀(jì)初，天文學(xué)家得出結(jié)論，每個(gè)星系的中心都藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的幾百萬(wàn)到幾十億倍。但這些黑洞到底從哪里來(lái)的呢？有人推測(cè)，當(dāng)一個(gè)恒星坍塌后，會(huì)形成質(zhì)量很大、體積很小的黑洞。也有人認(rèn)為，早在宇宙初期，黑洞通過(guò)別的方式就已形成了。沒(méi)有一個(gè)人能給出準(zhǔn)確的答案。
黑洞是如何影響周圍環(huán)境的呢？
1980年，三位天文學(xué)家米切爾·貝格爾曼（Mitchell Begelman）、馬丁·里斯（Martin Rees）和羅杰·布蘭德福德（Roger Blandford）發(fā)表了一份關(guān)于黑洞對(duì)所處星系演變的影響的報(bào)告。他們提出，兩個(gè)星系碰撞、合并后會(huì)形成一個(gè)新的星系，同時(shí)每個(gè)星系中的中心黑洞合并而形成一個(gè)巨大的黑洞。每一個(gè)星系中，超大質(zhì)量黑洞都會(huì)在合并期間沉入新合并星系的中心。
米切爾和他的同事們認(rèn)為，這兩個(gè)巨大的黑洞在重力作用下互相束縛，軌道開(kāi)始收縮。繼而，黑洞與周圍的恒星相互作用，黑洞的引力會(huì)將恒星推離中心，使兩個(gè)黑洞之間的聯(lián)系更加緊密。
隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的恒星會(huì)被“拋”出星系中心。漸漸地，曾經(jīng)集中在星系中心的恒星們分散的越來(lái)越遠(yuǎn)，形成一個(gè)閃閃發(fā)光的漩渦。在這個(gè)漩渦中心，有一個(gè)小黑洞，那里就是兩個(gè)合并黑洞的“居住地”。
當(dāng)勞爾談起這三位偉大的天文學(xué)家時(shí)，說(shuō)道：“他們走在了時(shí)代的前沿?！?/p>
馬克和勞爾認(rèn)為，Abell 2261中曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)黑洞合并。但是，星系團(tuán)的中心并沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)峰值，超大質(zhì)量黑洞及其環(huán)繞左右的恒星仿佛憑空消失了。
這就提出了更戲劇性的可能性，即黑洞合并這個(gè)情況早已經(jīng)發(fā)生了。當(dāng)黑洞合并時(shí)，會(huì)產(chǎn)生引力波（1916年，愛(ài)因斯坦首次提出引力波假說(shuō)）。百年之后，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）終于探測(cè)到了引力波的存在。
該理論預(yù)測(cè)，當(dāng)黑洞合并時(shí)，它們會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生引力波的漣漪 。各個(gè)方向發(fā)出的波并不均勻，如果產(chǎn)生的大量引力波在一個(gè)方向上明顯強(qiáng)過(guò)另一個(gè)方向，則可能將新的大黑洞從星系的中心彈出來(lái)，這被稱為反沖黑洞。
進(jìn)一步仔細(xì)觀察A2261-BCG后，人們?cè)谠撔窍抵邪l(fā)現(xiàn)四個(gè)偏心恒星簇。那么，在其中一個(gè)恒星簇中，會(huì)不會(huì)藏著黑洞呢？
由美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)的莎拉·伯克·斯波拉爾（Sarah Burke-Spolaor）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，曾用哈勃和甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）對(duì)四個(gè)恒星簇進(jìn)行觀測(cè)，并研究了這些恒星簇中的恒星運(yùn)動(dòng)是否足夠高，以至于它們暗示了一個(gè)百億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。
不過(guò)他們并沒(méi)有得到滿意的結(jié)論：其中兩個(gè)恒星簇中均未發(fā)現(xiàn)明顯的黑洞證據(jù)、對(duì)第三個(gè)恒星簇的測(cè)量存在巨大誤差，還不能將其排除在外。
至于第四個(gè)恒星簇，因?yàn)閮?nèi)部運(yùn)動(dòng)過(guò)于微弱，以至于科學(xué)家無(wú)法從此得出有效結(jié)論。莎拉表示道：“我們需要用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)這個(gè)恒星簇進(jìn)行數(shù)百小時(shí)的觀測(cè)?！辈贿^(guò)，它仍是失蹤黑洞藏匿地點(diǎn)的候選者。
星系的核心也會(huì)發(fā)出無(wú)線電波，但它們對(duì)研究沒(méi)有幫助。
“我們?cè)鞠Ｍ麩o(wú)線電波能為我們提供某種信號(hào)，可以讓我們發(fā)現(xiàn)一條活躍的噴流，直接指向黑洞的位置，”莎拉說(shuō)。但在星系中心附近檢測(cè)到的無(wú)線電發(fā)射表明，這個(gè)星系中心的最后一次超大質(zhì)量黑洞活躍的跡象，出現(xiàn)在5千萬(wàn)年前。這意味著，自從噴流消失后，這個(gè)巨型黑洞有足夠的時(shí)間移動(dòng)到其他地方。
在使用哈勃望遠(yuǎn)鏡失敗后，人們便轉(zhuǎn)向美國(guó)宇航局的錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)。研究人員將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了Abell 2261星團(tuán)核心和那些可疑的恒星簇。同樣，沒(méi)有任何新的發(fā)現(xiàn)。研究人員表明，如果假設(shè)這個(gè)黑洞真實(shí)存在的話，，它必須以百萬(wàn)分之一的速度吞噬周圍的物體。
與此同時(shí)，英國(guó)薩里大學(xué)的伊姆蘭·納西姆（Imran Nasim）發(fā)表了一份詳細(xì)的報(bào)告，分析了兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的合并將如何把銀河系改造成現(xiàn)在人們看到的模樣。
伊姆蘭表示：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，引力波的反沖力將超大質(zhì)量黑洞'踢’出星系?！霸谑ズ诙吹木薮笠螅車暮阈窃品植甲兊酶訌浡?。星團(tuán)中心是整個(gè)巨行星系中星團(tuán)密度最高的地方，但只有銀河系附近恒星密度的十分之一。
以上所有，都是天文學(xué)家熱切期待詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的原因。它是哈勃望遠(yuǎn)鏡的“繼任者”，暫定于今年10月底發(fā)射。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡一經(jīng)發(fā)射，便能夠揭示出在銀河系中心或恒星團(tuán)之一中，是否存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
譯者：Soleil
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