天文学家发现一个流氓超大质量黑洞在太空

　　这幅艺术家的概念图展示了一个年轻、富含恒星的星系核心的超大质量黑洞(中央黑点)。现在天文学家发现一个游荡的SMBH在太空中旅行。Credit: NASA/JPL-Caltech

　　据美国物理学家组织网（by Evan Gough, Universe Today）：超大质量黑洞(SMBHs)潜伏在像我们这样的大型星系的中心。从它们在银河系中心的指挥位置，它们以气体、尘埃、恒星和任何离得太近的东西为食，形成更大质量的久而久之。但是在极少数情况下，SMBH会被迫离开它的位置，像流氓SMBH一样在太空中飞奔。

　　在一篇新论文中，来自加拿大、澳大利亚和美国的研究人员提出了一个流氓SMBH撕裂太空并与环银河介质(CGM)相互作用的证据。一路上，这个巨人在制造冲击波，引发恒星形成。

　　这篇论文是“一个候选的失控超大质量黑洞，通过在其尾流中的冲击和恒星形成来识别。”主要作者是耶鲁大学天文学和物理学教授彼得·范·多库姆。该论文可在arXiv预印本服务器上获得，尚未通过同行评审。

　　如果你从未听说过离家出走的SMBH，你并不孤单。SMBHs通常被锁定在星系中心的某个位置，那就是它们呆的地方。但是科学家认为在极少数情况下，SMBHs可以逃离他们的星系。在他们的论文中，作者解释了SMBH是如何被逐出宿主星系的。

　　它总是从星系合并开始。这导致在合并残余的中心形成了一个双SMBH。双星SMBH可以存在很长时间，在合并前存活长达10亿年。如果在这段时间内，第三个SMBH到达银河系中心，那么三体相互作用可以给其中一个smbh一个速度提升，它可以被赶出银河系。

　　这些来自哈勃高级巡天相机的图像显示了可能由流氓SMBH造成的线性特征。Credit: van Dokkum et al. 2023

　　但是，尽管有其理论基础，找到这些流氓中小企业是困难的。天文学家在2021年确定了最佳候选之一，距离大约2.3亿光年。作者注意到特殊的运动和速度，表明最近的破坏。但他们无法断定他们是否看到了正在进行的星系合并、二元黑洞系统或引力波反冲事件。

　　天文学家认识到几种方法，他们可以确定一个失控的SMBH。最简单的方法是，如果这个洞作为一个活跃的星系核正在积极地吸收物质，并且可以通过它的光度来识别。“对于这样的物体，”作者写道，“SMBH的存在是毫无疑问的，但很难确定它们是‘裸’黑洞还是合并星系的核心。”

　　另一种方式是通过流氓洞拖在一起的恒星质量。当SMBH被抛出时，其巨大的引力会把一些恒星拉在一起。但是没有AGN的亮度，昏暗使得从很远的距离识别黑洞和它的恒星同伴变得困难。

　　天文学家识别潜在流氓SMBH的第三种方法是通过它对穿过它的环星系介质(CGM)中的扩散气体的影响。

　　这幅作品中的图像显示了尾部的三个结，它们可能是最近形成的恒星。研究人员发现，这三颗恒星的金属含量、年龄和尘埃含量都在正确的范围内，符合大约3900万年前离开其星系的流氓SMBH。Credit: van Dokkum et al. 2023

　　作者写道:“一个失控的超大质量黑洞与CGM的相互作用可能导致其背后的激波气体和年轻恒星的形成。”在他们的论文中，他们报告了在哈勃高级巡天相机拍摄的图像中意外发现的线性特征，这可能是这些尾迹之一。

　　当SMBH穿过CGM中的电离氢时，它会产生一个激波阵面，后面拖着一条长长的尾迹。在尾迹中，受冲击的气体云会冷却并形成看起来像结一样的恒星。研究人员分析了线状特征中的三个结，并测量了它们的年龄和金属性。

　　理论和模型显示，尾迹中形成的最年轻的恒星应该不到3000万年。当研究人员测量他们的属性时，他们发现这三个结都在模型设定的年龄范围内。它们也在金属含量和尘埃含量的范围内。

　　如果宿主星系喷射出一个SMBH，这个星系应该会显示出分裂的迹象。SMBHs的质量非常大，那么大的质量无法在不改变星系形状的情况下穿过星系。该团队检查了产生流氓SMBH的星系，发现其形态被破坏了。

　　这张研究图显示了F606W和F814W星系的形态(哈勃望远镜)。)箭头指示线性特征的方向。该星系是紧凑的，并显示出不规则的特征，可能表明最近合并和/或连接到线性特征。Credit: van Dokkum et al. 2023

　　然而，线性特征还有另一种可能的解释。它可能是一架黑洞喷气机，而不是一架流氓SMBH。在适当的条件下，黑洞喷流也可以冲击CGM中的气体，并导致恒星的形成。“附近有两个经过充分研究的喷流触发恒星形成的例子，”作者说。其中一个叫做闵可夫斯基物体。

　　作者承认黑洞喷射解释是一种可能性，但他们说这有太多的问题。可见的发射线不是黑洞喷流的特性，也没有核活动的证据。形态学也有问题。“一个更严重的问题是，该特征的形态与喷流诱导恒星形成的模拟或观察不匹配，”作者解释道。

　　他们选定了一个失控的SMBH作为数据和观察的最佳解释。

　　他们写道:“线条比率、颜色和整体形态与高速穿过CGM并触发恒星形成的喷射SMBH相一致。”

　　这张图片显示了闵可夫斯基物体的两个视图。左边是哈勃图像，显示蓝色的莫。椭圆星系NGC 541位于影像的右上方。一股来自NGC 541黑洞的喷流正在为闵可夫斯基天体的恒星形成提供动力。Credit: (L) NASA, ESA, and S. Croft (Eureka Scientific Inc.); Image Processing: Gladys Kober (NASA Goddard/Catholic University of America). (R) Sloan Digital Sky Survey/H. R. M. Zovaro et al.

　　定位黑洞将是这一结论无可争议的证据。“这种情况的‘确凿证据’将是黑洞本身的明确识别，”研究人员写道。"在图6中，寻找它们的明显位置是A和B . "

　　“这些是‘超致密恒星系统’的候选者，SMBHs被包裹在恒星和气体中，随它们一起逃逸，”他们解释道。

　　这些观察中的长特征是非常不寻常的，所以如果它有一个不寻常的原因就不会令人惊讶了。只有更多的观测才能确定流氓SMBHs是否在工作，JWST可以提供它们。“更深层的数据，例如，来自JWST·NIRSPEC·IFU的数据，可能会显示出预期的宽的、高度红移或蓝移的电离气体发射线，这些发射线与黑洞本身有关。这些数据还可以在空间上解析A附近的流动、冲击和恒星形成，”作者说，展望未来。

　　如果有一个失控的SMBHs创造了这些特征，就会有其他的。

　　“展望未来，HST图像中的特征形态如此引人注目，如果它们存在的话，找到更多的例子应该不会太困难。南希·格雷斯·罗曼望远镜的未来数据可以用自动算法搜索，”他们解释说。

　　一个脱离星系的流氓SMBH在环星系中漫游是一个迷人的现象。对于SMBHs，它们与星系成长的关系，以及它们如何融合产生引力波，我们的了解还处于初级阶段。

　　发现它们可以被踢出它们的宿主星系增加了一层只有大自然才能想到的复杂性。