質量超過10億個太陽的黑洞，被「踢出」星系中心！

黑洞是宇宙中最神秘也最具力量的物體，猶如一隻可以吞噬萬物的怪獸。然而，天文學家剛剛發現，黑洞也有被別的力量所主宰的時候：一個遙遠的超大質量黑洞被引力波的巨大力量推出了所在星系的中心。

天文學家此前有過幾個類似的發現，但只是推測黑洞疑似被推出星系中心，而沒有確鑿的證據。這一次，哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope）探測到的結果提供了非常有力的證據。

這個被「踢出」星系中心的黑洞的質量超過10億個太陽，是迄今為止科學家觀測到的被踢出星系中心的黑洞中質量最大的。

研究人員估計，把這個黑洞推出星系中心所需要的能量大概相當於1億顆超新星同時爆發釋放的能量。他們認為，這個龐然大物是被宿主星系中心兩個巨型黑洞的合并所產生的引力波推出去的。這是對如此巨大的能量最合理的解釋。

愛因斯坦最早預測了引力波——這種空間中的漣漪是兩個大質量物體碰撞時產生的。這種漣漪和一塊大石頭被扔進池塘後，池水產生的同心環很相似。去年，激光干涉引力波天文台（LIGO）幫助天文學家確認了引力波的存在。科學家從兩個恆星質量級別的黑洞的合并中探測到引力波的產生。這兩個黑洞的質量分別是太陽的29倍和36倍。

這一次，哈勃空間望遠鏡對這個奇特黑洞的觀測讓研究團隊感到很驚訝。「當我第一次看到這個的時候，我想我們正在目睹非常奇怪的東西」，該團隊的領導者、位於美國馬里蘭州巴爾的摩的美國空間望遠鏡科學中心（STScI）和約翰霍普金斯大學的馬可·齊博格（Marco Chiaberge）說：「當我們將來自哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線天文台和斯隆數字巡天計劃的觀測數據進行分析的時候，所有結果都指向了同一種情況。我們收集到的數據量，從X射線到紫外線再到近紅外線，絕對要比其他任何候選黑洞的數據都要多。」

錢德勒X射線天文台拍攝到的3C 186。位於視場中心的明亮點源是類星體。由環狀符號標記的區域對應於星系核的位置。圖像中上方是北，左側是東。

哈勃空間望遠鏡的圖像在可見光和近紅外線波段提供了最初的證據，顯示這個星系非常特別。這些圖像展示了一個明亮的類星體——這是黑洞的能量標記——位於遠離星系核的地方。

黑洞不能被直接觀測到，但是它們是類星體中心區域的能量源。劇烈、緻密的輻射噴泉，可以比整個星系還明亮。這個類星體——編號3C 186——所在的宿主星系位於距地球80億光年的一個星系團中。這個研究團隊使用哈勃空間望遠鏡對正在合并同時釋放出強大輻射衝擊波的遙遠星系進行一項觀測，就是在這個時候，他們發現了3C 186所在星系的奇異特徵。

「我預期會看到很多合并星系，也期待看到在類星體周圍有凌亂的宿主星系，但是我真的沒有想過看到一個類星體被移出規則形狀星系的星系核」，齊博格說：「黑洞位於星系的中心，所以看到一個類星體沒有在中心是很奇怪的。」

這個團隊通過將宿主星系中星光的分布與計算機模型中一個正常的橢圓星系的星光分布進行比較，計算了黑洞到核的距離。計算的結果表明，這個黑洞距離星系中心有35000光年，這要大於太陽到銀河系中心的距離。

根據哈勃空間望遠鏡和斯隆數字巡天的光譜觀測，研究人員估計這個黑洞的質量，並測量了在這個龐然大物周圍被俘獲的氣體的速度。團隊成員、來自STScI的賈斯汀·伊萊（Justin Ely）說到：「出乎我們意料的是，我們發現黑洞周圍的氣體以每小時470萬英里（約756萬千米）的速度飛離星系的中心。」這個數值也是黑洞的速度，因為氣體被這個巨獸引力鎖定。

天文學家計算出這個黑洞移動的速度是如此之快，以至於它從地球移動到月球只需要3分鐘。這個速度足夠快，使得這個黑洞能在2000萬年的時間裡從這個星系中逃出，並從此永遠地在宇宙中遊盪。

哈勃空間望遠鏡的圖像還揭示了一個有趣的線索，可以幫助解釋黑洞的位置。宿主星系有微弱的弧形特徵，稱作潮汐尾（tidal tail），這是由兩個碰撞星系的引力拖拽形成的。這個證據表明在3C 186系統和另一個星系之間可能存在合并。每個星系中心都有一個巨大的黑洞，兩個黑洞最終會合并。

3C186星系

根據這個線索以及理論計算，研究人員製作了一個模型去描述這個龐然大物是如何被驅逐出中心位置。根據他們的理論，兩個星系合并，它們的黑洞位於新形成的橢圓星系的中心。

當兩個黑洞彼此環繞旋轉的時候，釋放出引力波，就像是草地噴灌器噴水一樣。由於兩個黑洞不斷地輻射出引力能，它們會不斷靠近。如果兩個黑洞沒有相同的質量和旋轉速率，它們在一個方向上發射出的引力波就會更強。當兩個黑洞碰撞的時候，他們停止產生引力波。這個新產生的黑洞接著會在最強引力波相反的方向反衝，就像是一枚火箭一樣發射出去。

這組圖說明了引力波是如何將黑洞從星系中心移開的。圖1展示了兩個星系的合并，每個星系的中心都有一個黑洞。圖2展示的是在這個新合并的星系中心，兩個黑洞環繞彼此旋轉，這就產生了引力波。伴隨著這兩個巨大的物體持續地輻射引力能量，一段時間後它們距離彼此更近，正如圖3展示的那樣。如果這兩個黑洞沒有相同的質量和旋轉速率，那它們釋放的引力波在某個特定方向上就會更強，如圖3中左上方的明亮區域。在圖4中，兩個黑洞最終合并，形成一個巨型黑洞。合并過程中釋放的能量將黑洞沿著最強引力波相反的方向從星系中心推開。

研究人員很幸運能夠捕捉到這個特殊的事件，因為並不是每個黑洞合并事件都會產生不平衡的引力波，並將黑洞推向相反的方向。「這個不對稱取決於諸如質量以及在合并前黑洞旋轉軸的相對方向等因素」，團隊成員、STScI和約翰霍普金斯大學的科林·諾曼（ColinNorman）說到：「這也是為什麼這樣的物體如此少見的原因。」

如果這些研究人員的解釋是正確的話，那麼觀測應該可以提供有力的證據證明超大質量黑洞實際上可以合并。天文學家已經有證據表明恆星質量級別的黑洞會發生碰撞，但是涉及到超大質量黑洞的過程更複雜，因此到目前為止，這個過程並未被完全理解。

這個團隊希望可以再次使用哈勃空間望遠鏡，同時使用阿卡塔瑪大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和其他設備，去更精確地測量黑洞的速度和它的氣體盤，由此獲得對這樣奇怪物體的本質更深刻的洞見。

位於智利北部阿卡塔瑪沙漠的大型陣列

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