宇宙中劇烈的天文事件：錢德拉X射線望遠鏡發現一顆離家出走的超大質量黑洞

01-25

文：鄭娟娟

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一個1.6億倍太陽質量的黑洞，在太空中行動起來會不會有點困難呢？答案是肯定的。不過，也有例外。天文學家發現了一個潛在的黑洞，從39億光年之外的一個橢圓星系的中心偏移了出去。

在一篇《天體物理學雜誌》接受發表的論文中，第一作者、美國國家射電天文台的Dongchan Kim和他的同事，論述了他們的新發現：一個正在吸積並放射出X射線的超大質量黑洞，正遠離它的宿主星系的中心，位移距離約有3000光年。

一．尋找有趣的超大質量黑洞

這個黑洞，被標記為CXO J101527.2+625911，天文學家們找它可費了一番功夫。

首先，天文學家檢查了錢德拉X射線天文台數千張X射線圖像的數據，尋找一個擁有正在吸積的超大質量黑洞的星系。

圖片：錢德拉X射線望遠鏡

然後，他們又用哈勃太空望遠鏡對候選星系再次檢查，在光學圖像中尋找兩個亮度的峰值，這將表明存在兩種情形之中的一種：一種是存在一對正在吸積的超大質量黑洞；另一種，是單個超大質量黑洞被反衝推出星系中心。

圖片：哈勃太空望遠鏡

最後，他們查看了符合上述兩種情形的任何一個星系的斯隆數字巡天光譜。光譜是將光分解成其組成部分的觀察結果，能使天文學家容易地識別某些類型的過程——例如，吸積過程——並且，可以清楚地識別運動。

圖片：明亮的X射線源CXO J101527.2 + 625911明顯偏離其橢圓宿主星系的中心。上方明亮的光源是超大質量黑洞所在地，下方較小的亮點是宿主星系的中心區域。

　　圖片來自http://www.astronomy.com

一般情況下，超大質量黑洞都穩穩地居於宿主星系的中心區域，並不會移動太多。

當一個超大質量黑洞明顯地離開星系中心時，就意味著一些有趣的事情正在發生。

而這種有趣的事情正是天文學家致力於尋找的，因為，通過研究這些有趣的情況，他們可以進一步了解超大質量黑洞和其宿主星系的形成以及其他行為。

通過觀測和研究，天文學家發現，CXO J101527.2+625911的確顯示出了位移和明顯的運動。它的速度與宿主星系的整體運動並不匹配，這種情況使天文學家們相信，CXO J101527.2+625911正在經歷先前發生的黑洞合併的反衝（recoil）。

二．什麼是黑洞合併的反衝

當兩個黑洞合併時，它們必定首先相互旋轉著向著彼此靠近，在最終相撞之前，這種運動會使它們都逐漸失去角動量。由於黑洞的質量極其巨大，這種旋轉運動會產生十分強大的引力波。兩個黑洞的質量、自旋、以及方位的不同，都會導致產生的引力波出現不對稱，在某一特定方向上的引力波更強。當兩個黑洞因碰撞合二為一後，就會在瞬間停止產生引力波，於是，合併後的黑洞就會沿著原來引力波最強的反方向彈射出去。

圖片：藝術概念圖，正在合併的兩個黑洞

或許有很多人會問，什麼是引力波呢？

首先，由愛因斯坦的廣義相對論指出並被科學觀測所證實，引力會引起時空彎曲，時空的彎曲結構取決於物質的能量密度、動量密度在時空中的分布，而時空的彎曲結構又反過來決定物體的運動軌道。

引力波，是時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。1916年，愛因斯坦在他的廣義相對論中預言了引力波的存在。愛因斯坦的數學表明，大質量的加速運動的物體（如繞著彼此運行的中子星和黑洞）將會破壞時空的結構，使得扭曲的空間的「波浪」從源頭向外輻射。

到目前為止，人類對於時空的彎曲還不甚了解，幾乎沒有多少相關的實驗和觀測數據，就好像只見過風平浪靜的海面的人，很難了解狂風暴雨時波浪滔天的大海一樣。人們幾乎不知道多少有關劇烈的時空變化的情況，其中的空間位形和時間流逝的速率就更無法想像了。而引力波源自空間的彎曲，因而它是探測宇宙彎曲的理想工具。

2015年9月14日，美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）第一次在物理上感知到時空本身的扭曲，LIGO當天探測到的引力波來自於13億光年之外兩個黑洞的強烈碰撞——這一發現或許會成為人類歷史上最偉大的科學成就之一。

實際上，任何有質量的物體在加速運動時都會產生引力波，比如奔跑的人、行駛的汽車和飛機，都可以產生引力波。只不過，由我們產生的這些引力波實在是太微弱了，以至於無法探測到。關於引力波，由於篇幅所限此處不做更多介紹，感興趣的朋友可以點擊下面的鏈接：

筆者關於探秘引力波的文章：

遙遠的宇宙空間會發生怎樣震撼人心的波動？――探秘引力波_網易訂閱

筆者此前關於兩個黑洞合併的文章：

兩個黑洞碰撞會發生什麼？引力波給出了答案_網易訂閱

三．有沒有可能是一對正在吸積的超大質量黑洞

話題從引力波回到CXO J101527.2+625911上來，天文學家先前假設了兩種可能性：一種是存在一對正在吸積的超大質量黑洞；另一種，是單個超大質量黑洞被反衝推出星系中心。

與黑洞合併的反衝相比，錢德拉X射線望遠鏡觀測到的有沒有可能是兩個超大質量黑洞呢？

Kim的團隊也承認這種情形存在一定的可能性：或許這個宿主星系有兩個超大質量黑洞，位於中心的那個黑洞要麼成長的不夠快，要麼它的X射線放射被遮蔽了。

不過，Kim的團隊還是更傾向於黑洞合併反衝的情形。因為，他們發現，宿主星系同時顯示了這些跡象：該星系外部區域的破裂，以及迅速的新恆星的形成。這些跡象都是該星系此前應該與另一個星系發生合併的印記。因此，如果是兩個星系發生了合併，就會增加出現黑洞合併反衝情形的可能性。

研究者稱，他們會收集更多數據，以進一步作出更加確定的判斷。