发现“卡冈图雅”——被逐出星系中心的超大黑洞

《星际穿越》里的大黑洞“卡冈图雅”周围，为什么看不到太多明亮的星星？天文学家最新的一项发现，或许可以解释其中的原因。图片来源：华纳兄弟
　　正在热映的影片《星际穿越》里，“卡冈图雅”可以说是当仁不让的主宰，不仅扭曲时空为复杂的故事提供了上演的舞台，还首次将超大质量黑洞逼真地展现在大银幕上，并由此引发了一场全民科（tǔ）普（cáo）热潮。比如一些死理性派就吐槽说——超大质量黑洞不是应该位于星系中心，被无数明亮的恒星包围吗？为什么电影里“卡冈图雅”周围看不到多少恒星？如果没有被恒星包围，它周围吸积盘里的物质又是从哪里来的？
　　无独有偶，在11月21日出版的《皇家天文学会月报》（MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety）上，一个国际天文学家团队公布了一项新发现，或许可以为《星际穿越》里孤独的“卡冈图雅”提供一个合理解释。
　　他们分析了多个天文台站长达数十年的观测数据，在距离地球大约9000万光年的一个矮星系中，发现了一个不同寻常的光点。那个矮星系名为马卡良117，位于北斗七星的斗勺之中。那个光点则被称为SDSS1133，特征与超大质量黑洞相符。尽管超大质量黑洞通常存在于星系中心，但SDSS1133距离这个矮星系的核心至少有2600光年。
　　2013年6月，这些科学家利用位于夏威夷莫纳克亚山顶凯克天文台口径10米的凯克Ⅱ望远镜，获得了这个天体的高分辨率近红外影像。通过对照片的分析，他们发现SDSS1133的发光区域宽度不到40光年，而马卡良117的中心也显现出了恒星密集形成的迹象，还有其他特征表明这个星系最近发生过动荡。
　　凯克Ⅱ望远镜拍摄的高分辨率近红外影像，显示SDSS1133的发光区域宽度不到40光年，而马卡良117的中心也显现出了恒星密集形成的迹象。图片来源：凯克天文台
　　研究团队猜测，这可能是两个星系及其中心黑洞并合的后果。两个星系的碰撞与并合，会瓦解它们原本的形状，产生新一轮恒星形成热潮。如果每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，在两个星系合二为一之后，它们就会在新的星系中心构成一对“双星”，最终也会合并在一起。
　　按照爱因斯坦的引力理论，黑洞在并合过程中会以引力辐射的形式释放大量能量。不断加速的质量会向四面八方辐射出引力波，也就是时空结构中的涟漪。如果两个黑洞质量相同，自转也相同，它们的并合产生的引力波在各种方向上就会是均匀的。但更可能出现的状况是，它们的质量和自转都不一样，这就会产生不平衡的强力波辐射，将黑洞朝相反方向弹射出去。
　　这样的弹射有可能足够强劲，直接把黑洞扔出它所在的星系，从此永无止境地在星系际空间流浪下去。更常见的情况是，黑洞被弹射到一个长椭圆轨道上。尽管位置发生了变化，被弹射出去的黑洞仍会保留它周围的炽热气体，继续发光发亮，直到这些气体全部被它耗尽为止。
　　听起来是不是很像《星际穿越》里的“卡冈图雅”，一个远离星系中心、孤独游荡在黑暗之中的超大质量黑洞？就这个问题，果壳网“科学人”专门采访了这项研究的第一作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的天文学家迈克尔·科斯（MichaelKoss）。
　　距离我们最近的大星系——仙女座大星系的中心，就有一个质量相当于1亿倍太阳的超大黑洞，与《星际穿越》里“卡冈图雅”的设定十分相似。图片来源：wikipedia.org
　　“‘卡冈图雅’有可能是一个与SDSS1133类似的超大黑洞，”虽然还没有看过《星际穿越》，科斯已经跟其他看过电影的合作者讨论过相关的话题，“电影中的这个黑洞，是在影射仙女座大星系（M31）中心的那个黑洞，那个质量超大而又以最高速度自转的黑洞。40亿年后，如果我们的银河系与仙女座大星系发生并合，也会发生一场剧烈的黑洞弹射。”
　　斯科对“科学人”解释说，“一个被弹射出星系的黑洞，确实比位于星系致密中心的黑洞要孤独许多。但很有可能，这个黑洞仍然会保留一部分气体和物质在它的吸积盘中，或者在穿越星系的过程中沿途吸积一部分物质。吸积，或者说物质落向黑洞而释放出引力能，是已知利用质量来获取能量的效率最高的方式，因此黑洞通过吸积盘来维持较长时间（比如上百万年）的发光，其实消耗不了太多的物质。”
　　不过，研究团队目前还无法百分百确定，SDSS1133就一定是一个被弹射出原星系的超大黑洞。另外一种可能，它是一颗极为罕见的高光度蓝变星（LuminousBlueVariable，LBV）。此类恒星在最终爆炸前很久，便会经历周期性的爆发，将大量质量抛入太空。按照这种解释，SDSS1133可能是有史以来观测到的周期最长的高光度蓝变星。
　　我们银河系中距离最近的此类恒星，是大质量双星系统海山二（ηCarinae），其中包含了一颗质量约为太阳90倍的高光度蓝变星。在1838年到1845年间，这个系统经历了一场爆发，抛射出至少10倍太阳质量的物质，使得它成为当时天空中第二明亮的星星。19世纪90年代，它又经历了一场规模较小的爆发。
　　哈勃空间望远镜拍摄的海山二，包含了一颗质量约为太阳90倍的高光度蓝变星。如果SDSS1133不是“卡冈图雅”那样的超大黑洞，那必定是一颗持续爆发了近60年的高光度蓝变星。图片来源：NASA
　　如果把SDSS1133解释成一颗高光度蓝变星，这颗恒星至少必须从1950年开始就几乎持续不断地爆发，直到2001年亮度达到顶峰，并发生超新星爆炸。1950年之前的望远镜，不论是空间分辨率还是灵敏度，都不足以检测到这个天体。但如果真是高光度蓝变星的持续爆发，现有观测记录就足以使得它成为最长久和最持续的高光度蓝变星。
　　科斯说，根据手头掌握的数据，现在还无法分辨它到底是哪种情况。过去6个月来，SDSS1133增亮明显，如果这一趋势持续下去，就将支持黑洞解释。为了更细致地分析这个天体，研究团队计划在2015年10月，利用哈勃空间望远镜上的宇宙起源摄谱仪，对它进行紫外线观测。
　　不管这是一个被驱逐的超大质量黑洞，还是一颗罕见恒星的临终表演，SDSS1133似乎都是天文学家以前从来没有看到过的一种天文现象。（编辑：老猫）
　　参考文献
　　1.MichaelKoss,etal.,“SDSS1133:anunusuallypersistenttransientinanearbydwarfgalaxy,”MNRAS(November21,2014)445(1):515-527;doi:10.1093/mnras/stu1673