北京9月6日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)傳統(tǒng)的主流觀點認(rèn)為，大質(zhì)量黑洞主要在星系中心、依托“中央氣體庫”集中“進食”而迅速長大，但越來越多的觀測表明，某些黑洞并不老老實實待在星系中心，而是偏離核心。
不過，這些被稱為“流浪黑洞”(或“迷途黑洞”)的理論猜想，之前因一直缺乏直接觀測證據(jù)而頗具爭議，也備受關(guān)注。
“猜得到”變“看得見”
記者9月6日從中國科學(xué)院上海天文臺獲悉，該臺科研人員帶領(lǐng)國際合作團隊，最近在一個距離地球約2.3億光年(紅移z=0.017)的矮星系里發(fā)現(xiàn)一個“不安分”的“流浪黑洞”，它沒有待在星系核心，而是偏離中心近1000秒差距(約3000光年)，并且噴射出射電噴流。
在近鄰矮星系中發(fā)現(xiàn)的這個“離核、原位吸積、帶噴流”黑洞，是目前紅移最低、證據(jù)最扎實的“流浪黑洞”發(fā)現(xiàn)案例之一。這項發(fā)現(xiàn)進一步強化了“黑洞增長并非僅限星系中心”的理論認(rèn)識，既讓“流浪黑洞”從“猜得到”的理論猜想變?yōu)椤翱吹靡姟钡闹苯佑^測，也為理解早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞的快速生長提供出新視角。
本項研究成果藝術(shù)示意圖(AI參與繪制)。中國科學(xué)院上海天文臺 供圖
這一天文學(xué)領(lǐng)域重要黑洞的發(fā)現(xiàn)研究，由中國科學(xué)院上海天文臺安濤研究員、劉媛琪助理研究員領(lǐng)銜并聯(lián)合中國科學(xué)院高能物理研究所及西班牙、瑞典、韓國等中外合作伙伴完成，相關(guān)成果論文近日在綜合性學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報》英文版(Science Bulletin)發(fā)表。
為何要在矮星系尋找
論文通訊作者安濤指出，矮星系質(zhì)量小、演化歷史相對簡單，它們就像“宇宙化石”保存了早期黑洞成長的線索。
理論預(yù)測，星系并合后的引力波反沖或者多體相互作用，容易讓黑洞在淺引力勢阱的矮星系里被踢出中心，成為在星系外圍游蕩的黑洞。一些模擬甚至指出，相當(dāng)比例的矮星系黑洞會偏離中心達(dá)到1000秒差距量級，但長期以來缺少直接、明確的觀測證據(jù)。
在本項研究中，基于“近鄰星系光譜巡天”計劃(MaNGA)的積分視場光譜數(shù)據(jù)，國際合作團隊聚焦一顆名為MaNGA 12772-12704的矮星系進行研究發(fā)現(xiàn)，該星系呈現(xiàn)較弱的活動星系核(AGN)特征，星系整體形態(tài)規(guī)整、沒有明顯并合或雙活動星系核跡象。關(guān)鍵一點是，與之成協(xié)的射電輻射并不在星系的幾何中心，而是偏離中心將近1000秒差距。
活躍吸積并擁有噴流
隨后，國際合作團隊利用甚長基線陣列射電望遠(yuǎn)鏡(VLBA)對宇宙目標(biāo)區(qū)域開展深度成像，并系統(tǒng)梳理1993-2023年間的檔案數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)本次研究的矮星系黑洞源具有射電輻射結(jié)構(gòu)等典型活動星系核特征，并在幾十年尺度上呈現(xiàn)非單調(diào)的“時強時弱”變化，符合“長期、原位吸積”的行為，這與超新星遺跡在數(shù)年時標(biāo)內(nèi)單調(diào)衰減的常見規(guī)律明顯不同，從而有效排除了“偽裝者”。
進一步結(jié)合其宿主星系恒星質(zhì)量分析，該黑洞質(zhì)量的經(jīng)驗估計約為30萬倍太陽質(zhì)量，屬于中等質(zhì)量黑洞范疇。合作團隊表示，綜合多個觀測特征，可以確認(rèn)：這是一個正在活躍吸積、擁有噴流的“流浪黑洞”，而且是目前最臨近(紅移最低)矮星系的此類黑洞案例之一。
論文第一作者劉媛琪形象比喻說，就像一座被“流浪黑洞”點燃的宇宙燈塔，它雖然離開了星系中心，卻依舊在向外噴射能量。
目前唯一獲確證案例
國際合作團隊表示，在“近鄰星系光譜巡天”計劃發(fā)現(xiàn)的3000多個矮星系中，研究人員篩選出628個活動星系核候選體，其中約62%的源存在活動星系核偏離星系光學(xué)中心的現(xiàn)象，表明離核現(xiàn)象或許并不罕見。
不過，“候選”并不等同于“確認(rèn)”。論文合作者、西班牙空間科學(xué)研究所馬·梅茲夸(Mar Mezcua)研究員強調(diào)稱，尤其是在矮星系中，要獲得明確的游離活動星系核觀測證據(jù)極為困難，因此此類發(fā)現(xiàn)極為稀有。
合作團隊對600多個候選體進行多級篩選，最終選出11個最有希望探測到射電輻射的目標(biāo)，并利用最高靈敏度和分辨率進行跟蹤觀測。在這11個目標(biāo)源的觀測中，只有MaNGA 12772-12704同時具備“致密高亮溫度、秒差距噴流、30年時域光變”三重證據(jù)，成為目前唯一獲得確證的案例。因此，從更廣闊的統(tǒng)計視角看，這次發(fā)現(xiàn)的重要性尤為突出。
黑洞成長另一種路徑
此次研究以一個中等質(zhì)量量級的離核、原位吸積來源，證明黑洞不在中心也能穩(wěn)定吸積并形成噴流，從而為早期宇宙超大質(zhì)量黑洞的“分布式進食/多點生長”提供了實證支撐。
本項研究成果論文亮點圖。中國科學(xué)院上海天文臺 供圖
安濤指出，“這促使我們思考，早期宇宙中的黑洞成長未必只靠中心‘一口氣長胖’，也可能依賴在星系各處的零散進食與后續(xù)并合，從而在不足十億年的時間內(nèi)成長為上億倍太陽質(zhì)量的龐然大物”。
此外，黑洞雖然位于星系“郊區(qū)”也能對宿主環(huán)境產(chǎn)生影響。“流浪黑洞”也能噴射出強勁的物質(zhì)流，向周圍氣體注入能量、擾動動力學(xué)并調(diào)控恒星形成。
所有這些，都會激發(fā)天文學(xué)界重新審視黑洞-星系共演化：黑洞不只是中心“引擎”，還可能在星系外側(cè)悄然改寫宿主的生命歷程。
未來將帶來更多突破
隨著下一代天文望遠(yuǎn)鏡到來，“流浪黑洞”或許不再罕見。劉媛琪認(rèn)為，未來，極大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將能精確測定矮星系的光學(xué)中心和結(jié)構(gòu)，深度獲取高分辨率光譜，分辨弱或被掩蔽的活動星系核特征，發(fā)現(xiàn)更多離核或游離黑洞候選體，擴展樣本規(guī)模。
特別是“中國天眼”(FAST)核心陣、平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)建成運行后，天文學(xué)家將有機會以更高靈敏度和分辨率進行系統(tǒng)巡天，探測到更微弱的射電信號，甚至直接分辨出亞秒差距級別的微型噴流，為偏核黑洞的確認(rèn)和統(tǒng)計研究帶來更多突破。
“或許，未來我們會意識到，宇宙中漂泊的黑洞并不罕見，它們像是星系邊緣的‘隱形旅人’，靜默而深遠(yuǎn)地影響著星系的生命歷程?！卑矟偨Y(jié)說。(完)
【編輯:胡寒笑】