韋伯望遠(yuǎn)鏡首證“脫韁”超大質(zhì)量黑洞：時(shí)速360萬(wàn)公里沖出母星系 拖出20萬(wàn)光年尾跡

美國(guó)天文學(xué)家借助詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），首次確認(rèn)了一顆真正“在逃”的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)的一千萬(wàn)倍，正以每秒約1000公里、相當(dāng)于每小時(shí)約220萬(wàn)英里（約360萬(wàn)公里）的驚人速度，在宇宙中疾馳。這一速度使其成為已知最快的天體之一，它已被拋離原本所在星系中心約23萬(wàn)光年之遠(yuǎn)，并在前方?jīng)_出一個(gè)“星系級(jí)弓形激波”，在身后則拖曳出一條長(zhǎng)約20萬(wàn)光年的氣體與新生恒星“尾跡”。

按現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，超大質(zhì)量黑洞通常盤踞在星系中心，以強(qiáng)大引力統(tǒng)治周圍環(huán)境，因此這樣一顆被從星系“心臟”硬生生踢出去的黑洞，令研究團(tuán)隊(duì)直呼“難以想象”。領(lǐng)銜研究的耶魯大學(xué)天文學(xué)家皮特·范·多克姆（Pieter van Dokkum）表示，這是迄今唯一一顆被發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離其原始星系中心的超大質(zhì)量黑洞，“這使它成為最有希望的‘在逃黑洞’候選體，而JWST的光譜觀測(cè)如今給出了確證”。

這顆黑洞最早在2023年被哈勃太空望遠(yuǎn)鏡注意到，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家只是在一片星系背景中看到了一個(gè)難以解釋的“細(xì)長(zhǎng)尾跡”，推測(cè)可能是某種巨大天體掠過(guò)留下的“尾流”。由于黑洞本身被事件視界包裹，無(wú)法直接成像，團(tuán)隊(duì)只能通過(guò)其對(duì)周圍氣體的影響來(lái)追蹤：黑洞高速掠過(guò)星際氣體時(shí)，激發(fā)出強(qiáng)烈激波，將氣體壓縮并甩向兩側(cè)，在尾跡頂端形成明顯的氣體位移與震蕩特征。JWST的精細(xì)光譜數(shù)據(jù)顯示，這些被推開(kāi)的氣體速度高達(dá)每秒數(shù)百公里，其動(dòng)力學(xué)特征與一顆極高速黑洞“推擠”氣體的情景完全吻合，從而鎖定了尾跡前端確有一顆超大質(zhì)量黑洞正加速遠(yuǎn)離母星系。

研究團(tuán)隊(duì)利用氣體的位移速度，反推出黑洞本身的飛行速度約為每秒1000公里，幾乎快過(guò)宇宙中絕大多數(shù)已知天體，也足以讓黑洞徹底擺脫原星系的引力束縛，真正成為一顆“星系間游蕩者”。范·多克姆指出，這樣的速度意味著黑洞在宇宙時(shí)間尺度上可以輕易穿越星系間空曠的空間，并有機(jī)會(huì)與其它星系或氣體云發(fā)生劇烈相互作用。

關(guān)于這樣一顆超大質(zhì)量黑洞是如何被“踢出家門”，理論上存在兩種主要機(jī)制，且都始于兩個(gè)星系的并合：當(dāng)兩個(gè)星系相撞并逐步融合時(shí)，各自中心的超大質(zhì)量黑洞會(huì)向新星系中心遷移并形成近距離系統(tǒng)。其一，是兩顆黑洞最終并合，在劇烈合并過(guò)程中釋放出非對(duì)稱的引力波輻射，從而給合并后的新黑洞一個(gè)“踢擊”，在某些配置下可以將其加速到每秒上千公里，從中心“震出”星系。其二，是更復(fù)雜的“三體相互作用”：如果其中一個(gè)星系原本就有一對(duì)成對(duì)繞轉(zhuǎn)的雙黑洞，當(dāng)并合后第三顆黑洞闖入這一系統(tǒng)時(shí)，整個(gè)多體系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定，其中一顆黑洞可能被劇烈拋射出星系核心區(qū)。在本次個(gè)案中，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為更符合前一種“并合+引力波踢擊”情形。

有趣的是，母星系失去中心超大質(zhì)量黑洞后，整體結(jié)構(gòu)并不會(huì)立刻發(fā)生災(zāi)難性變化，星系仍可維持大體形態(tài)和演化，只是中心區(qū)域的動(dòng)力學(xué)與活動(dòng)類星核特征會(huì)有所不同。相比之下，這顆高速在逃黑洞對(duì)沿途環(huán)境和未來(lái)可能遭遇的星系，影響或許更為“壯觀”：黑洞前方的巨大弓形激波會(huì)在穿入另一星系致密氣體時(shí)猛烈壓縮并加熱氣體，有望觸發(fā)大規(guī)模恒星形成，相當(dāng)于在對(duì)方星系中“犁”出一條新星帶。范·多克姆形容，這樣的相遇在天文觀測(cè)上將是一場(chǎng)“極具視覺(jué)沖擊力的宇宙大戲”。

JWST的觀測(cè)還揭示了一個(gè)此前未被充分認(rèn)識(shí)的造星模式：在黑洞身后漫長(zhǎng)的尾跡中，被激波擾動(dòng)和壓縮的氣體不斷坍縮成新恒星，估計(jì)形成恒星的總質(zhì)量約為太陽(yáng)的一億倍。這些恒星誕生在遠(yuǎn)離星系主體、幾乎“空無(wú)一物”的星際空間中，形成了一條顯眼的“離家星鏈”，提示天文學(xué)界：在逃黑洞不僅是引力奇觀，更可能是獨(dú)特的造星引擎。

此前，“在逃超大質(zhì)量黑洞”主要存在于理論與數(shù)值模擬中，人們一直缺乏確鑿觀測(cè)證據(jù)來(lái)驗(yàn)證相關(guān)模型。如今，范·多克姆團(tuán)隊(duì)的研究首次將這一類天體從理論假設(shè)拉入觀測(cè)現(xiàn)實(shí)，使得“黑洞出逃”從紙面推演變成可統(tǒng)計(jì)、可研究的天文種群。他強(qiáng)調(diào)，銀河系等大質(zhì)量星系在其一生中經(jīng)歷多次并合，因此中心形成雙黑洞或多黑洞系統(tǒng)應(yīng)不罕見(jiàn)，關(guān)鍵在于這些系統(tǒng)多快并合、以及被踢出星系的比例究竟有多高，這些都需要通過(guò)搜尋更多在逃黑洞案例來(lái)回答。

要在浩瀚天區(qū)中找到類似“細(xì)長(zhǎng)尾跡”并不容易，需要具備高分辨率、寬視場(chǎng)的太空成像能力。范·多克姆表示，未來(lái)即將發(fā)射的羅曼太空望遠(yuǎn)鏡以及已在運(yùn)行的歐幾里得衛(wèi)星，都將提供接近哈勃水準(zhǔn)的大視場(chǎng)成像數(shù)據(jù)，配合機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)檢索這類細(xì)長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)，有望在海量圖像中篩出更多候選在逃黑洞系統(tǒng)。隨后再由JWST等設(shè)備進(jìn)行精細(xì)光譜跟進(jìn)，以確認(rèn)是否存在高速黑洞及其驅(qū)動(dòng)的激波與尾跡。

該項(xiàng)研究目前已提交至《天體物理學(xué)快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters），并以預(yù)印本形式公開(kāi)于arXiv預(yù)印本平臺(tái)，為后續(xù)同行評(píng)議與進(jìn)一步觀測(cè)工作奠定基礎(chǔ)。范·多克姆坦言，這項(xiàng)工作幾乎在每一個(gè)環(huán)節(jié)都充滿意外驚喜，“原本只是一個(gè)難以解釋的細(xì)痕，如今卻打開(kāi)了一扇理解黑洞出逃及其造星效應(yīng)的新窗”。