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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。在這個過程中，黑洞周圍會形成耀眼的吸積盤以及強大的噴流，這都是人們觀測黑洞的重要線索。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《紐約時報》，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100萬光年，是銀河系直徑的10倍。圖片來自《紐約時報》
天文學(xué)家們相信，宇宙中幾乎每個大星系的中心都潛藏著一個超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量是太陽的百萬倍或數(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)鏡勘測星系團(tuán)時，發(fā)現(xiàn)一個超巨型星系的中心沒有黑洞的影子，這讓人們感到非常驚訝。正常情況下，由于巨型黑洞的強大引力，將分散的恒星以及行星吸附成為一個個的星系。這就是為什么星系的中心會閃閃發(fā)光的原因。
但是，這個龐大星系的核心，本該星光點點，實際上卻什么也沒有。而且，一團(tuán)直徑約2萬光年的恒星云，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）是一名美國星系核專家。當(dāng)他回憶起，馬克發(fā)給他的這個消息，依舊止不住感嘆：“哦，天吶，這真的很不尋常。”
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產(chǎn)生的X射線或無線電波。
這個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)驗來看，這個黑洞的預(yù)估質(zhì)量至少是太陽的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質(zhì)量的400萬倍左右。
那么，大自然究竟把這個“巨無霸”藏在哪里了呢？
現(xiàn)在存在兩種猜測：一種可能是，黑洞是存在的，但吞噬物質(zhì)的速度太慢而無法產(chǎn)生可檢測的X射線信號；另一種可能性則是，這個消失的黑洞被徹底“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程。但宇宙學(xué)家只是推測這種可能性，目前還沒有直接證據(jù)來證明這一事件確實發(fā)生過。
馬克在一封電子郵件中寫道：“我們一直在試圖揭開這個謎團(tuán)。即將發(fā)射的即將到來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡沒準(zhǔn)有希望助我們一臂之力。”
“當(dāng)從星系中噴射出一個超大質(zhì)量黑洞時會發(fā)生什么？”勞爾（Lauer）博士問道。
勞爾是一個自稱為“Nukers”的非正式小組的成員。這個小組幾乎與哈勃望遠(yuǎn)鏡同時誕生，由美國加州大學(xué)圣克魯斯分校的桑德拉·法伯（Sandra Faber）發(fā)展壯大。在過去的四十年中，他們試圖用哈勃望遠(yuǎn)鏡和其他天文儀器，來闡明星系核的本質(zhì)，以探究遙遠(yuǎn)星系的中心。
勞爾說：“A2261-BCG將為我們講述一個關(guān)于宇宙中最龐大的星系進(jìn)化的故事。”
在銀河系中心附近檢測到的無線電信號表明，5000萬年前那里曾發(fā)生過超大質(zhì)量黑洞活動。圖片來自《紐約時報》
黑洞是密度極高的物體，甚至連光都無法逃脫它們的引力“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，會產(chǎn)生高速噴流和X射線，這些波段是可以被檢測到的。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，比太陽亮430萬億倍。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，每個星系的中心都藏著一個超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的幾百萬到幾十億倍。但這些黑洞到底從哪里來的呢？有人推測，當(dāng)一個恒星坍塌后，會形成質(zhì)量很大、體積很小的黑洞。也有人認(rèn)為，早在宇宙初期，黑洞通過別的方式就已形成了。沒有一個人能給出準(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)于黑洞對所處星系演變的影響的報告。他們提出，兩個星系碰撞、合并后會形成一個新的星系，同時每個星系中的中心黑洞合并而形成一個巨大的黑洞。每一個星系中，超大質(zhì)量黑洞都會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，這兩個巨大的黑洞在重力作用下互相束縛，軌道開始收縮。繼而，黑洞與周圍的恒星相互作用，黑洞的引力會將恒星推離中心，使兩個黑洞之間的聯(lián)系更加緊密。
隨著時間的推移，越來越多的恒星會被“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越遠(yuǎn)，形成一個閃閃發(fā)光的漩渦。在這個漩渦中心，有一個小黑洞，那里就是兩個合并黑洞的“居住地”。
當(dāng)勞爾談起這三位偉大的天文學(xué)家時，說道：“他們走在了時代的前沿。”
馬克和勞爾認(rèn)為，Abell 2261中曾經(jīng)產(chǎn)生過黑洞合并。但是，星系團(tuán)的中心并沒有出現(xiàn)一個峰值，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，即黑洞合并這個情況早已經(jīng)發(fā)生了。當(dāng)黑洞合并時，會產(chǎn)生引力波（1916年，愛因斯坦首次提出引力波假說）。百年之后，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）終于探測到了引力波的存在。
該理論預(yù)測，當(dāng)黑洞合并時，它們會在時空中產(chǎn)生引力波的漣漪 。各個方向發(fā)出的波并不均勻，如果產(chǎn)生的大量引力波在一個方向上明顯強過另一個方向，則可能將新的大黑洞從星系的中心彈出來，這被稱為反沖黑洞。
進(jìn)一步仔細(xì)觀察A2261-BCG后，人們在該星系中發(fā)現(xiàn)四個偏心恒星簇。那么，在其中一個恒星簇中，會不會藏著黑洞呢？
由美國西弗吉尼亞大學(xué)的莎拉·伯克·斯波拉爾（Sarah Burke-Spolaor）領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊，曾用哈勃和甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）對四個恒星簇進(jìn)行觀測，并研究了這些恒星簇中的恒星運動是否足夠高，以至于它們暗示了一個百億太陽質(zhì)量的黑洞。
不過他們并沒有得到滿意的結(jié)論：其中兩個恒星簇中均未發(fā)現(xiàn)明顯的黑洞證據(jù)、對第三個恒星簇的測量存在巨大誤差，還不能將其排除在外。
至于第四個恒星簇，因為內(nèi)部運動過于微弱，以至于科學(xué)家無法從此得出有效結(jié)論。莎拉表示道：“我們需要用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對這個恒星簇進(jìn)行數(shù)百小時的觀測。”不過，它仍是失蹤黑洞藏匿地點的候選者。
星系的核心也會發(fā)出無線電波，但它們對研究沒有幫助。
“我們原本希望無線電波能為我們提供某種信號，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。但在星系中心附近檢測到的無線電發(fā)射表明，這個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5千萬年前。這意味著，自從噴流消失后，這個巨型黑洞有足夠的時間移動到其他地方。
在使用哈勃望遠(yuǎn)鏡失敗后，人們便轉(zhuǎn)向美國宇航局的錢德拉X射線天文臺。研究人員將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了Abell 2261星團(tuán)核心和那些可疑的恒星簇。同樣，沒有任何新的發(fā)現(xiàn)。研究人員表明，如果假設(shè)這個黑洞真實存在的話，，它必須以百萬分之一的速度吞噬周圍的物體。
與此同時，英國薩里大學(xué)的伊姆蘭·納西姆（Imran Nasim）發(fā)表了一份詳細(xì)的報告，分析了兩個超大質(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：“簡單來說，引力波的反沖力將超大質(zhì)量黑洞'踢’出星系。“在失去黑洞的巨大引力后，周圍的恒星云分布變得更加彌漫。星團(tuán)中心是整個巨行星系中星團(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，是否存在一個超大質(zhì)量黑洞。
譯者：Soleil
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