哈勃望遠(yuǎn)鏡精準(zhǔn)鎖定“流浪”超大質(zhì)量黑洞位置

在距地球6億光年的深邃宇宙黑暗中，天文學(xué)家利用NASA的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個“太空大白鯊”，一個潛伏在星際間、吞噬迷失恒星的隱形怪物。這個狡猾的黑洞通過一次新發(fā)現(xiàn)的潮汐瓦解事件（TDE）暴露了行蹤：一顆倒霉的恒星被它撕裂并吞噬，釋放出耀眼的輻射。TDE事件是研究黑洞物理的重要窗口，能揭示黑洞吞噬恒星時產(chǎn)生噴流與風(fēng)的條件，并在望遠(yuǎn)鏡中表現(xiàn)為明亮的天體。

這個新的TDE事件被命名為AT2024tvd。天文學(xué)家通過NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首次鎖定了一個游蕩的超大質(zhì)量黑洞。NASA的錢德拉X射線天文臺和國家射電天文臺的甚大陣列望遠(yuǎn)鏡也觀測到了該事件，證實(shí)該黑洞的位置偏離了其所在星系的中心。

相關(guān)研究論文將發(fā)表在即將出版的《天體物理學(xué)快報》上。

左上：一個漂泊在星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的剪影；

上中：一顆黃色恒星靠近黑洞；

接下來的三格：恒星被撕碎成明亮的同心環(huán)帶，最終發(fā)生白色爆炸；

右下：從遠(yuǎn)處看，星系中出現(xiàn)一個偏離核心的明亮爆發(fā)點(diǎn)，可見于X射線和可見光中。

Credit: NASA, ESA, STScI, Ralf Crawford (STScI)

驚人發(fā)現(xiàn)

這個黑洞質(zhì)量約為太陽的100萬倍，卻并不位于星系中心——通常那里才是超大質(zhì)量黑洞的地盤。過去通過光學(xué)巡天共記錄到約100次TDE事件，但這次是首次發(fā)現(xiàn)位置偏離星系中心的TDE，其余都位于星系中央黑洞處。

事實(shí)上，該星系中心已有一個質(zhì)量達(dá)太陽1億倍的活躍黑洞，在吸積氣體的同時釋放能量。哈勃精確測定，AT2024tvd發(fā)生位置僅距這個中心黑洞2600光年，比太陽到銀河系中心的距離小十倍。

雖然這兩個黑洞共處同一星系，但彼此之間并無引力綁定，不構(gòu)成雙黑洞系統(tǒng)。這個較小的黑洞未來可能會逐漸向中心螺旋運(yùn)動，最終與大黑洞合并，但目前它離得還太遠(yuǎn)。

TDE原理回顧

TDE是當(dāng)恒星被黑洞強(qiáng)大潮汐力拉伸成細(xì)絲狀（即“意大利面化”）時發(fā)生的現(xiàn)象。恒星殘骸形成環(huán)繞黑洞的盤狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和高溫輻射，能夠被紫外和可見光望遠(yuǎn)鏡觀測到。

研究主要作者、加州大學(xué)伯克利分校的姚雨涵（Yuhan Yao）表示：
“AT2024tvd是光學(xué)巡天首次捕獲的偏心TDE，為未來巡天發(fā)現(xiàn)游蕩黑洞這一隱秘種群開啟了新可能。目前理論界對偏移TDE關(guān)注較少，我相信這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)會激勵大家尋找更多此類事件。”

發(fā)現(xiàn)過程

當(dāng)這個“吃星星的黑洞”大快朵頤時，地面望遠(yuǎn)鏡首先探測到了一次如超新星般明亮的閃光。但不同于超新星，這次爆發(fā)極為熾熱，光譜中有寬展的氫、氦、碳、氮、硅等發(fā)射線，表明其來自黑洞吞噬恒星。此事件由加州理工帕洛瑪天文臺的Zwicky瞬變設(shè)施（ZTF）率先發(fā)現(xiàn)，它每兩天掃描整個北天一次。

“潮汐瓦解事件是發(fā)現(xiàn)那些我們無法直接探測的超大質(zhì)量黑洞的極好工具，”ZTF團(tuán)隊(duì)成員、伯克利副教授Ryan Chornock說，“理論上我們認(rèn)為存在一類偏離星系中心的黑洞，如今我們可以用TDE來尋找它們。”

多項(xiàng)巡天結(jié)果（Pan-STARRS、斯隆數(shù)字巡天、DESI遺產(chǎn)成像調(diào)查）表明爆發(fā)點(diǎn)確實(shí)偏離星系核心。姚團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用錢德拉X射線天文臺確認(rèn)了X射線也偏離星系中心。而哈勃的紫外成像和高分辨能力最終確認(rèn)了這一偏移位置。

圖像中心為一個橘黃色模糊橢圓，延伸方向從10點(diǎn)鐘至4點(diǎn)鐘。一個明亮的白點(diǎn)偏離核心位于橢圓左上。右下有一個小得多的橘色圓盤。背景為黑色太空。

這是一張哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的遙遠(yuǎn)星系圖像，顯示了一個游蕩超大質(zhì)量黑洞的痕跡。

Credit:NASA, ESA, STScI, Yuhan Yao (UC Berkeley); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

黑洞起源之謎

該黑洞隱藏在巨大星系的核心隆起區(qū)內(nèi)。它每隔幾萬年才通過吞星“打個嗝”暴露自身，然后再次陷入沉寂。

那它為何會離開星系中心？理論研究顯示，當(dāng)星系核心存在三個黑洞時，質(zhì)量最小者可能因三體引力相互作用被“踢出”中心。這可能就是該黑洞的位置來源。

另一個可能性是，這個黑洞原屬于一個小星系，10多億年前與當(dāng)前宿主星系發(fā)生合并。若如此，它最終也可能向星系中心螺旋移動并合并。但目前尚無法確定它究竟是“前來投奔”，還是“正在逃離”。

參與研究的伯克利研究員Erica Hammerstein審查了哈勃圖像，但未找到星系合并的直接證據(jù)。她表示：“盡管如此，星系合并確實(shí)有增強(qiáng)TDE頻率的證據(jù)。而AT2024tvd所在星系中存在第二個黑洞，表明過去確實(shí)可能發(fā)生過合并。”

未來展望

哈勃、錢德拉這類專注于不同波段的天文臺協(xié)同合作，有助于準(zhǔn)確定位并深入理解這類瞬變事件。未來的望遠(yuǎn)鏡——如國家科學(xué)基金會的維拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin）和NASA的南希·格蕾絲·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）將進(jìn)一步提高這類事件的捕捉率，并提供更多后續(xù)觀測機(jī)會。

參考

https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-pinpoints-roaming-massive-black-hole/