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一個和銀河系一樣重的超級黑洞居然失蹤了,宇宙這個玩笑開大了!

2020-12-19  徐德文科...
宇宙中最大的黑洞是什么?有多大?很多人可能都知道,那就是位于獵犬座類星體TON 618中心的特大質量黑洞,達到了660億個太陽質量,視界半徑為0.02光年,1950億公里。如果出現在太陽系中心的話,人類發射的飛得最遠的飛行器旅行者1號現在是在225億公里的地方,還得再過299年才能飛出視界范圍。
不過長期以來,科學家們一直認為,在離我們約27億光年的Abell2261星系團中央,一個名叫A2261-BCG的星系中心,應該存在一個質量30億到1000億倍太陽質量的超級黑洞,如果按上限來算,它才是宇宙中最大的黑洞,其質量已經和銀河系所有恒星的質量差不多一樣重了。
你當然可以想象科學家們對這個特大質量黑洞的興趣究竟有多大了,一旦找出來就可能刷新這個宇宙中最大黑洞的紀錄,幫助我們更好地理解這個宇宙。然而最近幾年來用多個最先進望遠鏡觀察的結果卻讓科學家們大吃一驚,在這個可能擁有宇宙中最大星系核的星系中心,不但沒發現1000億倍太陽質量的超級黑洞,就連30億倍的也沒有看見,更準確地說,這個星系的中心似乎根本就沒有黑洞存在的跡象,這無疑令人瞠目結舌,不知所措。宇宙在給我們開玩笑?
A2261-BCG星系后面之所以帶了BCG,是因為它是一個最亮團星系(BCG)——代表一個星系團中最明亮的一個星系。星系團由數百到數千個星系組成,其中央的星系通常是最大且異常明亮的,就像星系中的超大質量黑洞束縛恒星一樣,最亮團星系把周圍的星系束縛在引力范圍內,形成了宇宙中已知的最大引力束縛結構。
A2261-BCG是一個超巨橢圓星系,其直徑約100萬光年,大約是我們銀河系的10倍,其中心巨大明亮的核心則超過了10000光年,是已知宇宙中發現的最大星系核。按照星系質量與超級黑洞大小的關系,在這個明亮的核心中應該有一個超級巨大的超大質量黑洞,科學家們估計至少是30億倍太陽質量,甚至可能達到1000億倍太陽質量。
美國密歇根大學天文學家凱漢·古爾特金(Kayhan Gultekin)領導的一個科學家團隊,一直致力于找出這個黑洞,測出它的質量等屬性。由于黑洞并不可見,所以科學家們通常通過它強大引力對周圍物質攪動產生的巨大影響來判斷它的存在,測量它的大小。
然而在用錢德拉X射線天文臺、甚大天線陣和哈勃太空望遠鏡等各種最先進設備進行仔細的觀測后,科學家們在A2261-BCG的中心卻一無所獲,那里彌漫的只是明亮的星光和霧氣,沒有發現任何超級黑洞攪動周圍物質發出的輻射,這個結果無疑讓科學家們目瞪口呆:宇宙中可能存在的潛在最大黑洞,竟然莫名其妙地失蹤了,宇宙最大的星系中心竟然沒有黑洞?宇宙這個玩笑也開得太大了吧。
科學家們又用錢德拉X射線天文臺對該星系中心進行了更仔細的搜索,但仍未發現任何與黑洞活動相關的X射線數據??茖W家們無法對此做出解釋,但猜測了兩種可能性的存在。
一種猜測這個超級黑洞是個安靜的佛系黑洞,不食宇宙煙火味,對周圍物質不屑一顧,從不吞吃送到嘴邊的食材,或者只是小口小口地慢慢偷吃,我們現有的設備無法發現,因而看不出它的存在。
而另一種猜測則完全瘋狂,這個宇宙中潛在的最大特大質量黑洞,有可能在星系合并的時候被自己的“后坐力”踢出去了!這意味著A2261-BCG在過去某個時候和另一個星系合并時,兩個星系的超大質量黑洞也產生了合并,在它們互相靠近的過程中,引力波在某個方向產生強烈的“后坐力”,最終在相反的方向把形成的黑洞踢出了星系,不知所蹤——由于不再有物質供它吸積,它將成為宇宙中最恐怖的幽靈,沒有任何設備能夠看見,直到它偶然撞上其它天體開始吞吃的時候,我們才能看到它饕餮的大嘴。
但這種猜測有兩個無法回避的問題,一個問題是黑洞合并的“后坐力”本來就是假設,迄今仍未被發現。另外就是最終秒差距問題,這個問題是說我們現在還不知道超大質量黑洞會不會合并,因為根據目前進行的計算機模擬,超大質量黑洞在相互靠近的過程中,會通過不斷踢出周圍物質損失的能量來讓自己的軌道衰減,但隨著越來越多的物質被踢出,它們之間的空間區域會越來越小,物質也就越來越少,當軌道衰減到大約1個秒差距(3.2光年)時,就基本沒有物質來供它們向外踢,從而讓它們再互相靠近了。
這就像兩個人坐在兩條船上,不斷有石頭從他們頭頂飛過,他們要想讓船靠在一起,就得捕捉這些石頭扔向反方向,從而讓船獲得“后坐力”越靠越攏,但隨著他們靠得越來越近,飛過的石頭也越來越少,他們就無法捕捉石頭來產生后坐力了。
在這樣的情況下軌道不再衰減,兩個超大質量黑洞就會維持在穩定的軌道上,不再發生碰撞,其時間可能長達幾十億年,甚至在宇宙時間尺度內也沒有再發生合并的可能,這就是所謂的最后秒差距問題。
如果是這樣,第二個猜測就無法成立了,那么這個星系中心的黑洞就可能并未失蹤,它只是在虔心向佛,不再屠戮,安靜地做一名宇宙中的超級怪獸,從而低調得讓我們再也看不見了?
這項研究已被《美國天文學會》(AAS)期刊接受,現在可以在預印服務器arXiv上查看。
論文:Chandra Observations of Abell 2261 Brightest Cluster Galaxy, a Candidate Host to a Recoiling Black Hole

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