引力波從星系核心推射出黑洞

天文學家宣布發現一個超大質量黑洞，它可能受引力波的強力推動而發生位移，正遠離星系核心。雖然其他位置也探測到類似事件，迄今為止卻未得到確認。但天文學家們認為哈勃此次的發現是非常強有力的例證。該天體擁有超過太陽10億倍的質量——探測到的最為龐大的黑洞正被剝離出星系中心。

哈勃太空望遠鏡拍攝了命名為3C 186的類星體圖像，該天體正在遠離其主星系中心。天文學家們推測，這個超大質量黑洞由另外兩個超大質量黑洞融合時產生的引力波推射出該星系核心區域。

來自：NASA戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）

研究人員估算，該引力波推射該黑洞的能量相當於1億個超新星爆炸時產生的動能。對於推進能量最合理的解釋是，主星系核心中兩個龐大黑洞融合時產生引力波，從而推射出這個「怪物」天體。

愛因斯坦首次預言，引力波是由兩個超大質量物體碰撞時產生的空間漣漪。這個漣漪就好比將一顆巨大岩石拋入池塘後產生的同心圓。去年，天文學家們通過激光干涉儀重力波觀測台（LIGO）觀測兩個質量為太陽數倍的恆星級黑洞融合，從而證明了引力波的存在。

哈勃意外的觀測結果令研究團隊感到驚奇不止。「當我第一次看到這個圖像，我認為我們應該發現了一些非常特別的事物，」團隊負責人、來自太空望遠鏡科學研究所（STScI）及約翰霍普金斯大學（JHU）的Marco Chiaberge談道。「當我們綜合哈勃、錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory）和斯隆數字巡天望遠鏡（Sloan Digital Sky Survey）的觀察結果時，都出現了同樣的情況。我們收集了X射線到紫外線到近紅外光的大量數據顯示，該天體遠大於以往的任何的黑洞。」

該圖演示了引力波從星系中心推射出黑洞的情景。該過程從第一個圖片開始，兩個開始融合的星系中央都有一個黑洞。第二張圖片顯示，兩個黑洞逐漸融入到新合并的星系中央並圍繞對方旋轉。這種富含能量的運動產生了引力波。而在第三張圖片中，隨著兩個巨大的天體持續輻射引力能量，雙方逐漸向彼此靠近。如果黑洞不具備相同的質量和旋轉速率，它們將在一個方向上發射更加強烈的引力波，如左上方的明亮區域所示。在圖四中，它們最終融合成一個超大黑洞。融合時產生巨大的能量將黑洞沿著最強引力波的反方向推離星系中央。

來自：NASA, ESA（歐洲航天局）及A. Field（太空望遠鏡科學研究所）

這張由哈勃拍攝的圖片揭示了非比尋常的情景：一個類星體正在逃離主星系中心區域。類星體是黑洞顯著而能量勃發的標誌。黑洞本身無法被直接觀測，但它們是類星體的能量源——物質進入黑洞時劇烈摩擦輻射出的噴射物可以照亮整個星系。

來自：NASA, ESA, and M. Chiaberge（太空望遠鏡科學研究所及約翰霍普金斯大學）

Chiaberge的論文將發表在3月30日《天文與天體物理學》雜誌上。

哈勃在可見光和近紅外光線範圍下拍攝的這張圖片，是證明該星系與眾不同的第一條線索。這些圖像展示了一個明亮的類星體——黑洞的標誌，正在遠離星系的核心。黑洞本身是無法被直接觀測的，但它們是位於類星體中心的能量源——物質進入黑洞時劇烈摩擦輻射出的噴射物可以照亮整個星系。這個被命名為3C 186的類星體，它的主星系距地80億光年，位居一個星系團中。該團隊利用哈勃對遙遠星系進行觀察，發現星系融合產生巨大輻射這一異於尋常的特徵。

「我預計會發現很多合并中的星系，並且期待看到類星體周圍繁雜的主星系，但真的沒想到能發現明顯偏離規則形狀星系核心的類星體。」Chiaberge回憶道。「黑洞就位於星系的中央，因此類星體偏離該位置的情況是不尋常的。」

該團隊通過比較主星系與計算機模型中標準橢圓星系兩者的星光分布，計算出黑洞與核心的距離。這個黑洞已經遠離星系核心超過35,000光年，遠超太陽至銀河系中央的距離。

基於哈勃和斯隆的分光鏡觀測結果，研究人員對黑洞的質量進行了估算，並測量了被這個龐然大物捕獲的氣體的速度。光譜法將光分成其分量顏色，可用於測量空間中的速度。「令人感到驚奇的是，我們發現黑洞周圍的氣體正以每小時470萬英里的速度從星系中央飛離，」來自太空望遠鏡科學研究所的團隊成員Justin說。因為引力的緣故氣體吸附於黑洞，因此這個測量結果同樣也是黑洞的速度。

天文學家們計算出黑洞的飛行速度快的驚人，它從地球行至月球僅需三分鐘。如此高速度已經足夠讓黑洞在2000萬年的時間內逃離主星系並且永遠漫遊宇宙。

哈勃的圖片揭示了一條有意義線索，解釋了黑洞出現在意料之外位置的原因。主星系具有被稱為潮汐尾的淡淡弧形特徵，這是兩個星系在相互碰撞時重力拖拽作用下產生的。這是3C 186類星體與另一個星系之間可能存在聯繫的證據，每個最終合并星系的中央都有可能存在一個大質量黑洞。

隨著理論工作的深入，根據這個明顯的證據研究人員開發了一個場景，描述巨型黑洞如何離開主星系中心區域。根據他們的理論，兩個星系融合的同時黑洞位於新形成的橢圓星系的中央。隨著黑洞圍繞對方相互旋轉，引力波如草坪洒水機中的水一樣被潑灑而出。龐大的天體隨著時間推移而相互靠近，同時輻射出引力能量。如果兩個黑洞質量和旋轉速度不同，那麼它們將沿著一個方向更強烈地發射引力波。當兩個黑洞碰撞時則停止產生引力波。 新融合的黑洞像火箭一樣，沿著最強引力波的反方向被推射出去。

研究人員很幸運地遇到了這個獨特的事件，因為並不是每個黑洞融合都會產生不平衡的引力波，從而從相反方向推出黑洞。「這種不對稱性取決於融合前黑洞的質量和旋轉軸相對方向等性質，」團隊成員之一、太空望遠鏡科學研究所及約翰霍普金斯大學的Colin Norman談道。「這就是為什麼這些天體是如此罕見。」

類星體發生位置偏移的另外一種看似不太可能的解釋是，這個明亮的天體並不在星系內部。相反，類星體位於星系後面，哈勃圖像卻給出了與星系相同距離的幻覺。如果是這種情況，研究人員應在寄生類星體的背景下檢測到另外一個星系。

如果研究人員的解釋是正確的，那麼觀測結果可以為超大質量黑洞實際會發生融合提供強有力的證據。天文學家們已掌握恆星質量級黑洞發生碰撞形成新黑洞的證據，但超大質量黑洞的形成機制更加複雜，尚未被完全解密。

該團隊希望再次使用哈勃，並且聯合阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列（ALMA）和其他設施進行觀測，以更準確地測量黑洞及其氣盤的速度，這樣可以更深入地了解這個異於尋常的天體。

（備註：所有的讚賞都歸我們的創作者，譯者和校核，以感謝他們辛苦的付出。）

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