科学家发现矮星系里的“流浪黑洞” 揭示黑洞成长的另一种路径

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来源：光明日报

在我们习惯的宇宙图景里，大质量黑洞常被视为星系的“心脏”。但越来越多的观测表明，某些黑洞并不老老实实待在星系中心，而是会偏离核心，在星系盘或外侧边缘地带“游离”。这些“流浪黑洞”就像迷途的旅人，在宇宙中四处游荡。

记者从中国科学院上海天文台获悉，该台科研人员带领国际团队，在一个距离地球约2.3亿光年的矮星系里发现了这样一个“不安分”的黑洞。它没有待在星系核心，而是偏离中心近一千秒差距（约3000光年），并且喷射出射电喷流。此项研究由中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所，以及西班牙、瑞典、韩国等国家的多家研究机构合作完成。相关成果日前在线发表于《科学通报》英文版。

在近邻矮星系中发现的这个“离核、原位吸积、带喷流”黑洞，是目前红移最低、证据最扎实的“流浪黑洞”案例之一。这项发现进一步强化了“黑洞增长并非仅限星系中心”的认识，让“流浪黑洞”从理论猜想变为“看得见”的直接观测，也为理解早期宇宙中超大质量黑洞的快速生长提供了新视角。

矮星系质量小、演化历史相对简单，它们就像“宇宙化石”，保存了早期黑洞成长的线索。理论预测，星系并合后的引力波反冲或者多体相互作用，容易让黑洞在浅引力势阱的矮星系里被踢出中心，成为在星系外围游荡的黑洞。一些模拟甚至指出，相当比例的矮星系黑洞会偏离中心达到一千秒差距量级，但长期以来缺少直接、明确的观测证据。

中国科学院上海天文台研究员安涛带领的国际团队把目光投向了一颗名为MaNGA 12772-12704的矮星系。基于“近邻星系光谱巡天”的积分视场光谱数据，科研人员发现这个星系呈现较弱的活动星系核特征，星系整体形态规整、没有明显并合或双活动星系核迹象。关键一点是，与之成协的射电辐射并不在星系的几何中心，而是偏离中心将近一千秒差距。

为了确认其本质，团队利用甚长基线阵列射电望远镜，在1.6GHz和4.9GHz两个波段开展了深度成像。结果显示：该源与星系中心的角距离为2.68角秒（对应0.94千秒差距），射电核心亮温度超过十亿开尔文，在1.6GHz图像上观测到沿东南方向延伸长约2.2秒差距（7.2光年）的射电辐射结构。这些都是典型的活动星系核特征。不仅如此，团队还系统梳理了1993至2023年间的档案数据，发现该源在几十年尺度上呈现非单调的“时强时弱”变化，符合“长期、原位吸积”的行为，这与超新星遗迹在数年时标内单调衰减的常见规律明显不同。结合其宿主星系恒星质量，黑洞质量的经验估计约为30万倍太阳质量，属于中等质量黑洞范畴。综合多个观测特征，可以确认：这是一个正在活跃吸积、拥有喷流的游离黑洞。

安涛告诉记者，过去主流观点认为，大质量黑洞主要在星系中心、依托“中央气体库”集中进食而迅速长大。该研究则证明黑洞不在中心也能稳定吸积并形成喷流。这为早期宇宙超大质量黑洞的“分布式进食/多点生长”提供了实证支撑。

“这促使我们思考，早期宇宙中的黑洞成长未必只靠在星系中心‘一口气吃胖’，也可能依赖在星系各处的零散进食与后续并合，从而在不足十亿年的时间内成长为上亿倍太阳质量的庞然大物。”安涛说。此外，黑洞虽然位于“郊区”，也能对宿主环境产生影响。“流浪黑洞”也能喷射出强劲的物质流，向周围气体注入能量、扰动动力学并调控恒星形成。这激发我们重新审视黑洞—星系共演化：黑洞不只是中心“引擎”，还可能在星系外侧悄然改写宿主的生命历程。

随着下一代望远镜到来，“流浪黑洞”或许会被更多发现。未来，极大口径光学望远镜将能精确测定矮星系的光学中心和结构，深度获取高分辨率光谱，发现更多离核或游离黑洞候选体，扩展样本规模。随着“中国天眼”核心阵和平方公里阵列射电望远镜的建成，天文学家将有机会以更高灵敏度和分辨率进行系统巡天，探测到更微弱的射电信号，甚至直接分辨出亚秒差距级别的微型喷流，为偏核黑洞的确认和统计研究带来突破。