美国天文学家发现一个「失控」的黑洞，似乎正在逃离其宿主星系，身后拖曳着气体和恒星，如何看待这一发现？

据美国趣味科学网10日报道，美国天文学家发现了一个“失控”的黑洞，似乎正在逃离其宿主星系，在太空中狂奔，身后拖曳着一些气体和恒星。研究团队指出，如果这一发现获得证实，将是超大质量黑洞可从其宿主星系喷射出来并在星际空间漫游的首个观测证据。相关研究刊发于最新一期《天体物理杂志快报》。
研究人员使用哈勃空间望远镜观测距离地球约75亿光年的矮星系RCP 28时，发现了这个“落跑”的黑洞，其表现为一条明亮的条纹。后续观测显示，这个条纹长20多万光年，大约是银河系宽度的两倍，由形成恒星的压缩气体组成。条纹正好指向星系的中心，而那里一般是超大质量黑洞的“地盘”。
研究团队估计，这个黑洞的质量约为太阳质量的2000万倍，正以560万公里/小时的速度脱离其宿主星系。
研究主要作者、耶鲁大学物理学和天文学教授彼特·范·多库姆指出，他们在哈勃空间望远镜的图像中发现了一条指向星系中心的细线，随后，他们使用位于夏威夷的凯克望远镜，发现这条线和星系是相连的。详细分析显示，一个巨大的黑洞，正从星系中喷射出来，“尾巴”上拖曳着气体和新形成的恒星。如果这一推论得到证实，将是科学家们第一次有明确证据证明超大质量黑洞可以从星系中逃逸。
多库姆解释说，当三个质量相似的物体因为引力相互作用时，会导致两个物体“联手”，而将第三个物体“弹出”。这可能意味着，这个“失控”黑洞曾经是一对罕见的超大质量黑洞的一部分，在一次星系并合期间，第三个超大质量黑洞“闯入”，将其中一个黑洞“驱逐出境”。
多库姆表示，超大质量黑洞从星系中喷射而出已被预测了50年，但迄今科学家们未曾明确观测到此类现象。他们还需要使用其他望远镜进一步观测，找到这种黑洞的直接证据。

1、一个小号的星系（橙色星系）在一个大号星系（红色星系）的吸引下向大号星系靠近
2、在掠过大号星系的过程中，小号星系受到引力弹弓作用而加速。
3、加速后，小号星系的中心黑洞B 加速逃离
4、红色星系以及其中心黑洞A俘获了小号星系中的大量物质
5、黑洞B也带走了一部分物质，形成了一个“尾烟”（橙色螺旋）


大概就是酱紫……

当星系碰撞时，它们的中心黑洞通常会合并。
但在某些情况下会出现问题，比如巨大的湍流和释放的引力波将两个超大质量黑洞中的一个抛出轨道，并将其弹射出银河系。



一个巨大的黑洞从它的星系中弹出，并在它超音速穿越太空时拉动了一条气体尾巴和恒星（插图）

但是由耶鲁大学的彼得·范·多库姆（Pieter van Dokkum）领导的天文学家发现了一个更极端的情况：一个完全从银河系中喷出的巨大黑洞。
这一点变得很明显，因为被弹出的黑洞拉着一条长长的气体尾巴和恒星，一直延伸到它的老星系。
实际上，天文学家已经在哈勃太空望远镜的图像中搜索了附近矮星系RCP28中的球状星团。
事实证明，这条大约20万光年的地带由年轻的恒星和气体组成，我们似乎可以假设一个距离地球约76亿光年的星系存在。



这张来自哈勃太空望远镜的图像显示了明亮的星尾

但是是什么导致了这条星尾呢？
在光谱仪和凯克望远镜的高分辨率梯形光谱仪的帮助下，研究人员能够识别神秘星带的更多细节。
分析显示，恒星尾巴尖端有一个电离氧的亮点，它正以每秒1600公里的速度远离银河系 - 相当于每小时约576000公里。
在顶部后面，它以超音速在太空中奔跑。
根据天文学家的说法，这条恒星尾巴的明亮尖端隐藏着一个大约20万太阳质量的巨大黑洞。
我们可以猜测一下有可能是这样的原因：大约50万年前，两个中心黑洞形成了一对紧密的轨道对。
然后又发生了一次星系碰撞，增加了第三个大质量黑洞。
这导致了引力湍流，将三个黑洞中的一个弹射出银河系。
它的引力将大量气体带入太空，所以在它后面，我们看到一种气体尾流缓慢冷却，然后形成恒星。
以前在宇宙的任何地方都没有观察到过类似的东西，50年来，人们一直预测超大质量黑洞有时会从星系中弹出。
但直到现在，我们才能找到第一个直接证据。
然而，天文学家尚未能够直接探测到星尾尖端的黑洞。
恒星尾巴尖端的亮点可能来自黑洞本身的活动 - 例如，因为它主动吞噬物质 - 或者来自一种与黑洞碰撞并升温的冲击星系间气体的弓波。
研究小组希望进一步的观测也能在其他波长和更高的分辨率下提供更清晰的信息。
X射线图像可以阐明冲击弓波的物理学，甚至可以显示超大质量黑洞的吸积盘。
用詹姆斯韦伯望远镜和紫外线范围拍摄的图像也可以提供更多信息。
此外，额外的观测可以澄清剩下的两个黑洞是否留在银河系中，或者它们是否也被弹出。
因为在银河系的另一侧有一个更弱、更短的“尾巴”，其性质尚不清楚。
<hr/>参考资料：
（天体物理学杂志快报，2023 年;DOI： 10.3847/2041-8213/ACBA86)

但凡黑洞的新闻都不想去看媒体的吸睛标题和尬聊。
这个研究确实也算不上什么理论突破或重要的发现，主要成果在于它验证了一个模型：一个失控的超大质量黑洞(SMBH)与环星系介质(CGM)的相互作用可以导致在其背后形成一条受震激气体和年轻恒星的尾流[1]。
这个研究用哈勃望远镜的高级巡天相机意外发现的一个极窄的线性特征，认为它可能就是这种尾流的一个例子。这个特征从红移量为z=0.964的致密恒星形成星系的核心一直延伸了62 kpc（约20万光年）。凯克低分辨率成像光谱仪获得的光谱显示[O III]/Hβ比[2]沿着该特征从1到10变化，表明恒星形成和快速激波的混合。该特征终止于亮度约为 erg s−1的明亮[O III]结。恒星连续光谱的颜色随着特征的变化而变化，并且很好地符合一个简单的模型：年龄随着离顶端的距离而单调增加。线条比率、颜色和整体形态都与高速穿过CGM并触发恒星形成的喷射SMBH相一致。黑洞“弹出”星系后的最佳拟合时间是39 Myr，速度是vBH 1600km s−1。该特征在哈勃图像中并不完全是直的，研究表明观察到的空间变化的幅度与失控的SMBH解释一致。与主尾流相对的是一个更微弱、更短的特征，仅在[O III]和静帧远紫外中能勉强探测到。这个特征可能是双星SMBH后面的激波气体，它与产生主尾迹的SMBH同时喷出。



论文还讨论了这个黑洞是如何“失控”并逃离出宿主星系并形成观测到的特征的。下图为示意图，1-5显示了一个“经典的”弹弓场景（如Saslaw et al. 1974）。首先，星系合并导致一个“长寿”的SMBH双星的形成 (1，2)。然后第三个星系进来(3)，它的SMBH下沉到新的合并星系的中心，这导致了三体相互作用(4)。其中一个黑洞（通常是最轻的那个）与另外两个脱离，并受到高速的冲击。线性动量守恒意味着留下的“双星”在相反的方向得到一个较小的速度反冲。如果反冲足够大，所有的SMBHs都可以离开星系(5)。在(2)和(3)中的事件之间可以10亿年的时间间隔。(4)和(5)发生在观测时期之前的4000万年。(6)的背景是来自Illustris TNG模拟(Pillepich et al. 2018)的1帧，较亮的区域具有较高的气体密度。这说明了环星系介质中可能存在高度不对称的流动，推测A点的SMBH正穿过这样一个相对密集和寒冷的CGM区域)。

这个发现挺有意思，这意味着黑洞之间也有竞争，也有“力有不逮”的失败者。宇宙比我们想象的要更广大，更神奇，强如黑洞，也要论资排辈，弱肉强食。
其实类似“星体被从系统中甩出来”，在宇宙中是非常常见的现象。恒星中有种跑得特别快的恒星，叫做速逃星。它们通常具有惊人的高自转，会以非常夸张的相对速度离开曾经呆过的星云。目前天文学家普遍认为，它们就是在各种恒星碰撞事件中的“倒霉蛋”，被从原系统中甩了出来，变成了流浪恒星。
比如刨除中子星，迄今为止自转速度最快的恒星，位于蜘蛛星云中，距离我们约16万光年的VFTS 102，就很可能是一颗速逃星。它是一颗高热的O型恒星，质量是太阳的25倍，光度是太阳的10万倍，赤道处自转线速度达610公里每秒，是太阳的100倍以上。在它附近有一片超新星遗迹，就是曾经与它相伴相随的密近双星伙伴的遗迹。从前的它不断的从同伴处获得物质，从而积累了角动量，转的越来越快。后来，它的同伴发生了超新星爆发，把它甩了出来。



想象图

再回到这次的“黑洞被甩”事件。
黑洞虽然不如恒星常见，在宇宙中也是数量很多的。早在50年前就有理论预测过，黑洞也有可能在宇宙高能事件中被甩出星系。只不过，当年我们的观测条件有限，连黑洞是否真的存在都无法完全证明，更别说更具想象力的“黑洞出逃”了。
不过，现在黑洞已经是被证明是真实存在的天体了。在2019年和2022年公布了两张黑洞照片，分别是M87星系的中心黑洞和我们所在的银河系的中心黑洞。这绝对称得上是可以载入史册的天文大事件了。



M87中心黑洞

但黑洞的观测仍然存在着很多难点。我们能直接观测到的黑洞少之又少（严谨点说，只有上面两个），绝大多数黑洞都是靠各种间接证据来推理得到的。



银河系中心黑洞

可能还有很多人对那个小尾巴感兴趣。其实等离子态，才是宇宙中物质最常见的存在形式。恒星是等离子体，星系也包含了大量的星云，气体和尘埃。所以“尾巴”这种结构在宇宙中是再常见不过了。
恒星跑的快了，就会有物质被甩在身后，形成“激波”。星系被其他星系吸引，也会长出长长的，由恒星和气体组成的尾巴。黑洞做为引力超强的星系中心天体，即使被迫跑路，随身携带一些“小弟”也是再正常不过的事情了。



出逃黑洞的艺术想象图

本次发现的这个“出逃”的黑洞，其实只是疑似，还没有被证实。因为至少存在着两个确认点，一，这个跑出来还带个尾巴的东西，是不是个黑洞？二，这个黑洞是不是真的从星系中被甩了出来？还是只是巧合的路过而已？未来可能需要更多的观测数据来支撑这次的发现。