星系中心的超大質量黑洞是真實存在的嗎？它們是怎麼來的？

不管你是在調查雨林還是外太空，對自然的觀察往往會帶來意想不到的結果和新的謎團。當射電天文學在20世紀50年代剛起步時，我們沒有想到它會引領我們發現星系(包括我們自己星系在內)的中心似乎都有大得可怕的黑洞——這些黑洞的質量是太陽的數百萬到數十億倍。

幾十年後，我們仍然無法證明這些被稱為怪獸的超大質量黑洞確實存在。但我們發表在《皇家天文學會月報》(Monthly bulletin of the Royal Astronomical Society)上的新研究或許有一天將能夠幫助我們做到這一點。

早期的射電天文學家發現一些星系會發射無線電波(一種電磁輻射)，他們知道星系有時會發生碰撞和融合，自然，他們也想知道這是否與無線電的發射有關，然而多年來，經過更詳盡的觀察之後，這一觀點被駁回。

他們還發現，無線電波以窄射流的形式發射，這意味著這些能量來自星系中的一個小區域。無線電的能量確實很大——常常超過星系中所有恆星的亮度總和。關於如此巨大的能量是如何產生的，人們提出了各種各樣的猜想，直到20世紀70年代，科學家們才最終提出，一個超大質量的黑洞可能才是罪魁禍首。這樣的天體現在被稱為類星體。

理論模型估計，這些天體的質量相當於整個小星系的質量集中在與地球繞日軌道大小相當的空間里。但是因為只有一些星系會產生能量爆發，所以當時還不清楚超大質量黑洞究竟有多普遍。隨著1990年哈勃太空望遠鏡投入使用，我們終於可以對附近那些不發射無線電脈衝的星系中心進行研究了，它們也有超大質量黑洞嗎?

結果是很多星系中心還真的有超大質量的黑洞，很多天文學家看到了引力質量的跡象，這些引力質量影響著它周圍的物質，但沒有發出任何光。就連銀河系也顯示出其中心有一個超大質量黑洞的證據，現在那個黑洞被稱為被稱為Sgr A *。在這一點上，天文學家們越來越相信超大質量黑洞是真實存在的，並且能夠合理地解釋一些星系的極端能量爆發。

不過，目前還沒有確切的證據。儘管一些超大質量黑洞會發射出噴射物——但這些噴射物來自於黑洞周圍，而不是黑洞本身。那麼我們要怎麼才能證明一個完全黑暗的東西是確實存在的呢?按照愛因斯坦廣義相對論的定義，黑洞是一個由視界包圍的空間區域——一個無論是光或是其他物質物體都無法從視界內逃逸的表面。所以，對天文學家來說，這是一項相當困難的挑戰：他們需要看到一個什麼都不向外發射的東西。

黑洞的碰撞和合併釋放引力波。LIGO, CC BY-SA

對於一個恆星質量大小的較小黑洞來說，科學家們確實發現了一個證據：當兩個這樣的天體合併時，它們會發出引力波，在2015年，科學家首次記錄了引力波這種微小的空間抖動。這一發現證明了黑洞的存在，同時也證明了它們有時會成對和確實會合併。這是一個巨大的成功，並獲得了2017年的諾貝爾獎。

我們也很好地了解到正常大小的黑洞從何而來——它們是一顆比太陽質量大得多的恆星在其生命周期結束後所遺留下來的天體。但超大質量黑洞的起源和存在都還籠罩在神秘之中。

旋轉的黑洞

通過將觀察到的區域無線電地圖與電腦模型相比較，我們現在已經發現了一些跡象，表明許多由超大質量黑洞產生的射電噴流實際上可能是這些超大質量黑洞在形成黑洞對並相互環繞的結果。

第二個黑洞的存在將會使第一個黑洞產生的噴射流在幾十萬年里以周期性的方式改變方向。我們意識到噴射流方向的周期性變化會在星系中心的無線電地圖上會引起非常特殊的現象。

波瓣（lobe）是由射電噴射流（jet）將能量沉積到周圍的粒子而形成的。

我們在大約75%的「射電星系」(發射無線電波的星系)樣本中發現了這種模式的證據，這表明超大質量黑洞對是普遍的，而不是例外。這些黑洞對實際上是在星系合併後形成的，每個星系都包含一個超大質量的黑洞，由於它們比所有單個恆星都要重，它們會下沉到新形成的星系的中心，在那裡它們首先會形成一對近距離的黑洞，然後合併，發射出引力波。

雖然我們的觀測為超大質量黑洞對的存在提供了重要的證據，但同時這也不是證據。我們觀察到的仍然是黑洞以某種方式間接造成的影響。就像普通黑洞一樣，要想完全證明超大質量黑洞對的存在，就需要直接探測它們發出的引力波。

目前的引力波望遠鏡只能探測到來自恆星質量大小的黑洞對發出的引力波。原因是它們相互環繞的速度要快得多，這就產生了我們可以探測到的高頻引力波。然而，下一代的儀器將能夠記錄低頻引力波(這些低頻引力波有可能來自超大質量黑洞對)，在它們首次被提出的半個世紀之後，這將最終證明它們的存在。在這樣的一個時間成為一名科學家，著實是激動人心。

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