韋伯太空鏡發現一個高速逃離宿主超大黑洞

寵網/訊 期國際天文團隊使用美國太空總署(NASA)的太空望遠鏡證實,過去觀測到一條微弱細長宇宙線條,實際上是一個黑洞高速逃離母星系所留下的痕跡。研究人員認為這項研究,或許能解開黑洞是否有辦法掙脫星系重力束縛的疑問。

美國耶魯大學(Yale University)、加拿大多倫多大學(University of Toronto)與以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)等機構組成的團隊,首次確認一個超大質量黑洞,正以每小時200萬英里(約360萬公里)的驚人速度,遠離它原本所在的星系。

這項研究成果已放到預印本服務器arXiv上,并投稿至《天體物理學雜志快報》(Astrophysical Journal)。

這個黑洞正式名稱為“RBH-1”,最早由美國耶魯大學天文學和物理學教授皮特?范?多庫姆(Pieter van Dokkum)團隊在2023年發現。當時他們在哈勃太空望遠鏡(HST)的一張存檔影像中,注意到一條景象十分奇特的微弱線條。

隨后,團隊利用位于夏威夷的凱克天文臺進行了觀測。當時的觀測顯示,這條綿延20萬光年(約銀河系直徑的兩倍)的奇特線狀物,其實是由一群年輕恒星組成的“尾跡”,其源頭是一個質量相當于2,000萬個太陽的黑洞。

雖然研究人員那時曾懷疑這個奇怪的物體,很可能是一個“逃逸”的黑洞,但缺乏確鑿的證據。直到研究團隊求助于靈敏度和清晰度更好的詹姆斯?韋伯太空望遠鏡(JWST),才真正確認它是一個“逃逸”的超大質量黑洞。

原因是JWST太空望遠鏡的中紅外線儀器以前所未有的清晰度,觀測到了RBH-1黑洞在高速移動時,前緣產生一種名為“弓形激波”的沖擊波。

研究人員形容“弓形激波”這有點像船只在水中航行時推開的波浪。只不過這艘“船”是難以直接觀測的黑洞,而“波浪”是星系的氣體被沖擊波加熱、電離后,發出的氫與氧光譜訊號。

研究團隊表示,除了JWST太空望遠鏡提供驚人的分辨率圖像外,這次的觀測結果也與哈伯望遠鏡(HST)、凱克望遠鏡(Keck)先前在不同波長下的觀測結果完美吻合,證實了理論模型的預測。

他們認為研究這個“逃逸”RBH-1黑洞,能讓科學家更深入了解星系和黑洞的演化過程。原因是銀河系與大多數大型星系的中心,都嵌入了超大質量黑洞,而這些黑洞是否能掙脫星系的束縛,一直以來都是個謎。

分辨“逃逸”黑洞不容易

研究人員指出,要確認黑洞是否真的“逃逸”極具挑戰性,其中距離地球大約110億光年的著名“宇宙貓頭鷹”(Cosmic Owl)星系,便是一個經典的對照案例。該星系擁有兩個星系核與三個活躍的超大質量黑洞,其中第三個黑洞“嵌入”在兩個星系核之間的氣體云中。

先前科學家一度懷疑它也是透過三體交互作用被踢出的“逃逸者”。然而,后續的JWST觀測卻顯示,這個黑洞很可能是在氣體云中透過直接坍縮(direct collapse)原地形成的結果,并非被彈射出來。

這反襯出此次發現的RBH-1黑洞的獨特性。不同于宇宙貓頭鷹的模棱兩可,RBH-1擁有清晰的弓形激波與速度梯度,是首個被確認真正“逃逸”的超大質量黑洞。

目前天文學主流觀點認為,星系中心的超大質量黑洞通常極難脫離。這些黑洞剝離的唯一方法需要兩個黑洞異常接近,或者有第三個黑洞介入進行三體交互作用時,復雜的重力場才可能將其中一個黑洞“踢出”原有位置。

對此,研究人員推測這個逃逸黑洞,甚至可能是三個質量相當于1,000萬個太陽的黑洞,相互作用產生的結果。

不過,他們還需要對此現象以及其它逃脫的黑洞天體,進行更多研究與希望能夠找到更多相似的例子。研究人員表示,目前的歐幾里德(Euclid)望遠鏡與將投入使用的南希?格雷斯?羅曼(Nancy Grace Roman)太空望遠鏡,很可能會揭開這個來自黑洞的謎團。

其主要作者、耶魯大學天文學和物理學教授皮特?范?多庫姆首次證實有“逃逸”的超大質量黑洞。他對于觀測數據的清晰度感到驚訝,“這個物體的一切都顯示它非常特別,能親眼看到如此清晰的特征證據,令我們無比欣慰。”