中国团队领衔发现确证“流浪黑洞” 让理论猜想变为直接观测|2019国自产拍
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中新网北京9月6日电 (记者 孙自法 郑莹莹)传统的主流观点认为，大质量黑洞主要在星系中心、依托“中央气体库”集中“进食”而迅速长大，但越来越多的观测表明，某些黑洞并不老老实实待在星系中心，而是偏离核心。
不过，这些被称为“流浪黑洞”(或“迷途黑洞”)的理论猜想，之前因一直缺乏直接观测证据而颇具争议，也备受关注。
“猜得到”变“看得见”
记者9月6日从中国科学院上海天文台获悉，该台科研人员带领国际合作团队，最近在一个距离地球约2.3亿光年(红移z=0.017)的矮星系里发现一个“不安分”的“流浪黑洞”，它没有待在星系核心，而是偏离中心近1000秒差距(约3000光年)，并且喷射出射电喷流。
在近邻矮星系中发现的这个“离核、原位吸积、带喷流”黑洞，是目前红移最低、证据最扎实的“流浪黑洞”发现案例之一。这项发现进一步强化了“黑洞增长并非仅限星系中心”的理论认识，既让“流浪黑洞”从“猜得到”的理论猜想变为“看得见”的直接观测，也为理解早期宇宙中超大质量黑洞的快速生长提供出新视角。
这一天文学领域重要黑洞的发现研究，由中国科学院上海天文台安涛研究员、刘媛琪助理研究员领衔并联合中国科学院高能物理研究所及西班牙、瑞典、韩国等中外合作伙伴完成，相关成果论文近日在综合性学术期刊《科学通报》英文版(Science Bulletin)发表。
为何要在矮星系寻找
论文通讯作者安涛指出，矮星系质量小、演化历史相对简单，它们就像“宇宙化石”保存了早期黑洞成长的线索。
理论预测，星系并合后的引力波反冲或者多体相互作用，容易让黑洞在浅引力势阱的矮星系里被踢出中心，成为在星系外围游荡的黑洞。一些模拟甚至指出，相当比例的矮星系黑洞会偏离中心达到1000秒差距量级，但长期以来缺少直接、明确的观测证据。
在本项研究中，基于“近邻星系光谱巡天”计划(MaNGA)的积分视场光谱数据，国际合作团队聚焦一颗名为MaNGA 12772-12704的矮星系进行研究发现，该星系呈现较弱的活动星系核(AGN)特征，星系整体形态规整、没有明显并合或双活动星系核迹象。关键一点是，与之成协的射电辐射并不在星系的几何中心，而是偏离中心将近1000秒差距。
活跃吸积并拥有喷流
随后，国际合作团队利用甚长基线阵列射电望远镜(VLBA)对宇宙目标区域开展深度成像，并系统梳理1993-2023年间的档案数据，发现本次研究的矮星系黑洞源具有射电辐射结构等典型活动星系核特征，并在几十年尺度上呈现非单调的“时强时弱”变化，符合“长期、原位吸积”的行为，这与超新星遗迹在数年时标内单调衰减的常见规律明显不同，从而有效排除了“伪装者”。
进一步结合其宿主星系恒星质量分析，该黑洞质量的经验估计约为30万倍太阳质量，属于中等质量黑洞范畴。合作团队表示，综合多个观测特征，可以确认：这是一个正在活跃吸积、拥有喷流的“流浪黑洞”，而且是目前最临近(红移最低)矮星系的此类黑洞案例之一。
论文第一作者刘媛琪形象比喻说，就像一座被“流浪黑洞”点燃的宇宙灯塔，它虽然离开了星系中心，却依旧在向外喷射能量。
目前唯一获确证案例
国际合作团队表示，在“近邻星系光谱巡天”计划发现的3000多个矮星系中，研究人员筛选出628个活动星系核候选体，其中约62%的源存在活动星系核偏离星系光学中心的现象，表明离核现象或许并不罕见。
不过，“候选”并不等同于“确认”。论文合作者、西班牙空间科学研究所马·梅兹夸(Mar Mezcua)研究员强调称，尤其是在矮星系中，要获得明确的游离活动星系核观测证据极为困难，因此此类发现极为稀有。
合作团队对600多个候选体进行多级筛选，最终选出11个最有希望探测到射电辐射的目标，并利用最高灵敏度和分辨率进行跟踪观测。在这11个目标源的观测中，只有MaNGA 12772-12704同时具备“致密高亮温度、秒差距喷流、30年时域光变”三重证据，成为目前唯一获得确证的案例。因此，从更广阔的统计视角看，这次发现的重要性尤为突出。
黑洞成长另一种路径
此次研究以一个中等质量量级的离核、原位吸积来源，证明黑洞不在中心也能稳定吸积并形成喷流，从而为早期宇宙超大质量黑洞的“分布式进食/多点生长”提供了实证支撑。
安涛指出，“这促使我们思考，早期宇宙中的黑洞成长未必只靠中心‘一口气长胖’，也可能依赖在星系各处的零散进食与后续并合，从而在不足十亿年的时间内成长为上亿倍太阳质量的庞然大物”。
此外，黑洞虽然位于星系“郊区”也能对宿主环境产生影响。“流浪黑洞”也能喷射出强劲的物质流，向周围气体注入能量、扰动动力学并调控恒星形成。
所有这些，都会激发天文学界重新审视黑洞-星系共演化：黑洞不只是中心“引擎”，还可能在星系外侧悄然改写宿主的生命历程。
未来将带来更多突破
随着下一代天文望远镜到来，“流浪黑洞”或许不再罕见。刘媛琪认为，未来，极大口径光学望远镜将能精确测定矮星系的光学中心和结构，深度获取高分辨率光谱，分辨弱或被掩蔽的活动星系核特征，发现更多离核或游离黑洞候选体，扩展样本规模。
特别是“中国天眼”(FAST)核心阵、平方公里阵列射电望远镜(SKA)建成运行后，天文学家将有机会以更高灵敏度和分辨率进行系统巡天，探测到更微弱的射电信号，甚至直接分辨出亚秒差距级别的微型喷流，为偏核黑洞的确认和统计研究带来更多突破。
“或许，未来我们会意识到，宇宙中漂泊的黑洞并不罕见，它们像是星系边缘的‘隐形旅人’，静默而深远地影响着星系的生命历程。”安涛总结说。(完)
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