引力波放逐超級怪獸黑洞

天文學家們發現了一個位於遙遠星系邊上的特大質量的黑洞，它可能是被引力波的怪力趕出星系核心的。該發現發表在3月30日的天文學與天文物理雜誌上。

雖然其他地方還有幾個疑似被踢出星系的黑洞，但至今尚未得到確認。天文學家認為這個由NASA的哈勃太空望遠鏡檢測到的目標是一個十分有力的案例。這個兇猛的黑洞重量超過十億個太陽，是所有檢測到被踢出星系核心的黑洞中最重的。

3C 186星系距地球約80億光年，極可能是由兩個星系合并形成的，詳見後文

研究者估計，要拋飛這個黑洞需要相當於一億個超新星同時爆發的能量。最可能的解釋是兩個重型黑洞合并產生的引力波把這個怪獸黑洞從星系中心踢出去了。

阿爾伯特·愛因斯坦首先預言了引力波的存在。引力波是宇宙空間中的波紋，在兩個大質量物體相撞的時候產生。它與石塊扔進水塘產生的同心圓水紋相似。去年，激光干涉引力波天文台(LIGO)檢測到兩個數倍於太陽質量的黑洞合并產生的引力波，證實了引力波的存在。

哈勃對這個黑洞的觀測震驚了整個研究團隊。空間望遠鏡科學研究所(STScI)和馬里蘭巴爾的摩約翰霍普金斯大學聯合團隊領導Marco Chiaberge說：「當我第一次看到這個的時候，我認為我們看到了十分罕見的現象。當我們結合哈勃望遠鏡、錢德拉X射線天文台以及斯隆數字巡天的觀測時，發現所有觀測均表明相同的情形。我們收集到的數據總量，包括x射線、紫外線以及近紅外線等，絕對比其他候選黑洞多。」

哈勃拍攝的可見光圖像和近紅外圖像首先就讓人感到這個星系不同尋常。圖像顯示了一個遠離星系核心的明亮的類星體，這表明黑洞充滿活力。黑洞無法被直接觀測，但它們是類星體中心的能量來源——強烈緊湊的輻射，閃耀整個星系。這個類星體名為3C 186，其宿主星系位於80億光年之外的星系團。研究團隊在利用哈勃望遠鏡觀測遙遠星系合并發射出的強力輻射爆發時發現了該星系的奇異特性。
Chiaberge回憶道：「我那時正在期待看到許多正在融合的星系，看到類星體周圍凌亂的宿主星系，但我萬萬沒料到看到的是明顯遠離勻稱星系的核心的類星體。通常黑洞都在星系的核心，因此看到類星體不在中心很不尋常。」

上圖展示了引力波將黑洞拋出星系中心的過程，詳見後文

通過比較宿主星系的星光分布與計算模型中的一般橢圓星系，研究者計算出了黑洞距離星系核心的距離。該黑洞距離核心35000光年，這比太陽與銀河系中心的距離還要遠。

基於哈勃和斯隆巡天的光譜觀測數據，研究者估計了黑洞的質量，測量了附近氣體的速度。光譜將光線分解為基本組成顏色，可被用於測量太空中的速度。來自STScI的團隊成員Justin Ely說道：「我們驚訝地發現，環繞黑洞的氣體正在以470萬英里的時速飛離星系核心。」這同樣可作為黑洞速度的計量，因為氣體受到黑洞引力的作用，被鎖在了周圍。

天文學家計算得到黑洞的速度快到只需要3分鐘就能走完地球到月球的距離。這已經快到能讓這個黑洞在2千萬年里逃離這個星系，永遠漂流在宇宙中。

哈勃的圖像提供了幫助解釋該黑洞所在位置的線索。宿主星系具有被稱為潮汐尾的模糊弧形特徵，這是由兩個碰撞星系之間引力角力產生的。該證據表明3C 186星系可能與另一個星系融合過，兩者的中心都有一個大質量的黑洞，並最終融合了。

基於該證據，以及一些理論工作，研究者還原了這個怪獸黑洞被驅逐出星系中心的情形。兩個星系融合，隨後兩者的黑洞轉移到了新形成的橢圓星系的中心。隨著黑洞相互環繞運行，引力波擴散出去。兩個重型黑洞靠得越來越近，放射出引力能。如果兩個黑洞的質量和轉速並非一樣，兩者產生的引力波在某一個方向會相對更為強力。兩者碰撞後，引力波的產生也隨之停止。新的融合黑洞沿著最強引力波的反方向彈回，火箭般發射出去。

研究者能發現這一獨特事件是很幸運的，因為並不是所有黑洞的融合都產生不平衡的引力波，將黑洞反向推出去。團隊成員Colin Norman說道：「這種不對稱依賴融合前的質量和自轉速度等性質，因此這樣的物體十分稀少。」

另一種不太可能的解釋是這個明亮的類星體並不在這個星系內，而是在星系後面，只是哈勃的圖像令人產生了錯覺。如果是這樣，研究者應該能夠在這個星系的後面檢測到該類星體的宿主星系。

如果研究者的還原是正確的，該觀測證實超大質量的黑洞實際上也能融合。天文學家已經發現了恆星質量的黑洞碰撞的證據，但對於超大質量黑洞而言更為複雜，還未能完全理解。

研究團隊希望能再次使用哈勃望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列以及其他設備，以更精確地測量黑洞和周圍氣體的速度，揭示更多該物體的本質。

[CliffBao via phys]

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