超大质量黑洞,双人舞!

双黑洞探寻:曙光来了吗
我国科学家使用新方法发现证据确凿的双黑洞

图片 1电影《星际穿越》里有一个超大质量黑洞给人留下深刻印象,而现在本文作者及其同事发现了两个即将相撞的大黑洞。图片来源:《星际穿越》

■本报记者 倪思洁

本报北京9月1日电
记者从中科院国家天文台获悉:近日,由中科院国家天文台研究人员陆由俊、闫昌硕和美国俄克拉荷马大学戴新宇、北京大学于清娟组成的研究团队发现在距离地球最近的类星体Markarian
231中隐藏着超大质量双黑洞。此番首次用连续谱的特征方法发现的证据确凿的双黑洞,为人类在宇宙中发现和确认更多双黑洞系统指出了新方向,并对理解星系和类星体的形成演化以及进一步研究引力波和基本引力理论具有重要意义。该项研究成果已发表在国际期刊《天体物理杂志》上。

看过《星际穿越》(Interstellar)的朋友一定对电影里的超大质量黑洞(supermassive
black
hole)印象深刻。现在,想象一下,如果电影里的超大黑洞不只有一个,而是两个,又是怎样一幅场景?我们的团队最近发现的,正是这样一对超大质量双黑洞,距离地球足有100多亿光年。我们是怎么发现它的?这个故事,要从超大质量黑洞本身开始讲起。

黑洞一直是宇宙中令人浮想联翩的存在。

去年底在中国热映的美国大片《星际迷航》中曾反复出现黑洞概念,陆由俊表示,他们此次研究中的黑洞概念和电影中的黑洞是一回事。“我们研究中的黑洞具体指的是存在于星系中心的质量很大的一类黑洞,即超大质量黑洞,质量相当于几百万甚至上百亿个太阳。”

对天文学家和天体物理学家来说,这些质量大多为太阳的上百万甚至数十亿倍的庞然大物,仍充满了未解之谜。但它们一点都不罕见。我们目前观测到的所有大型星系的中央,都有这样的一个黑洞。比如,银河系中央就有一个名为人马座A*(Sag
A*)的黑洞。天文学家认为,这些黑洞与所在星系的形成和演化密切相关。

如今,科学家们又有了新发现——在距离地球最近的类星体“马卡良231”(Markarian231)中隐藏着超大质量双黑洞。这一研究由国家天文台研究员陆由俊、美国俄克拉何马大学教授戴新宇等人组成的团队共同完成,相关成果发表于《天体物理杂志》。

黑洞是广义相对论预言的宇宙空间内存在的一种奇异天体,在其视界内,即使光子也无法逃脱它的引力束缚。它完全不发射和反射任何电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到,但借由物体被吸入之前因高热而放出紫外线和X射线的边缘讯息,可以获取黑洞存在的讯息。科学家对黑洞的研究,是人类对茫茫宇宙进行探索的重要部分。

但大多数黑洞都并不“活跃”(Sag
A*目前就不活跃)——它们处于一种相对安静的状态,默默地吸收(accrete)周围的气体物质,从而放出一些不那么耀眼的光芒。但是,如果一个黑洞处于它的“事业巅峰”,正以极快的速度和极高的效率吞噬物质,我们就称这个黑洞是“活动”的(active),构成了一个活动星系核(active
galactic
nucleus,缩写为AGN)。有些活动星系核放出的光非常明亮,甚至在100多亿光年外的地球上也可以被观测到。

“这次研究不仅证明了‘马卡良231’星系中双黑洞的存在,同时还为我们以后系统研究双黑洞提供了新方法,即研究分析其发射出来的光学和紫外线。”陆由俊在接受《中国科学报》记者采访时说。与此同时,也有专家表示,该研究仍有待后续验证。

“双黑洞是指相互绕转的两个黑洞组成的一个系统。一个类比就是像地球和月球这样的由两个天体组成在引力作用下相互绕转的一个系统,只不过组成双黑洞的两个天体都是黑洞。”陆由俊说。

当然,当一个物体距离很远很远的时候,你便看不清它的具体形状,只能看见一个亮点了。这就是类星体(quasar)这个名字的来源——它是一类离我们很远、核心又足够明亮(远远亮于它所在星系)的活动星系核,由于在望远镜的照相机看来,它和普通的星星没什么区别,最初被称为quasi-stellar
object,也就是“类似恒星的天体”。

“太极”黑洞

理论上,在标准冷暗物质宇宙模型中,星系合并就不可避免地产生超大质量双黑洞。但实际观测上,目前有关超大质量双黑洞存在的证据仍很模糊、稀少。

图片 2艺术家假想图:一个类星体中心的黑洞。盘状物体是黑洞的吸积盘。我们还可以看到黑洞产生的喷射流(其实是一对,图中只能看到一条),由外流物质在磁场作用下形成。图片来源NASA/JPL-Caltech

距地球6亿光年的“马卡良231”星系1969年被发现。它拥有非常亮的星系核,其电磁辐射主要来自中心的超质量黑洞以及由弥散物质组成的、围绕黑洞转动的吸积盘。

研究团队分析了类星体Markarian
231的连续谱,发现该类星体中心不仅拥有黑洞,而且存在两个相互公转的黑洞,疯狂地旋转使得这个类星体显得更加活跃。

尽管看上去没什么区别,类星体和普通的星星可完全不同,强大的黑洞是它的核心引擎。一颗恒星在它几百万年、几亿年,甚至更长的寿命中都几乎没什么变化,类星体却无时无刻不在变化,不管你盯着它看几分钟,还是几十年。对于这种变化的原因,天体物理学家有各种理论,主要认为这和吸积盘的不稳定有关。周围的气体物质围绕黑洞运动形成吸积盘,黑洞通过它吸收物质并辐射电磁波,因此吸积盘的不稳定使我们观测到了类星体在可见光波段产生的光变(variability)。如果把它的光强记录下来画在Y轴,观测的时刻画在X轴,这条光变曲线(light
curve)看起来就会像股市K线图一样毫无规律和节奏感。

正是在这个遥远的星系中,科学家发现了超质量双黑洞系统,它们如同两条太极鱼,围绕着彼此不断旋转,组成一个“太极”圆盘。

陆由俊说:“我们在先前的有关双黑洞的研究中注意到双黑洞吸积盘系统的几何结构和光谱发射显著不同于单黑洞系统。也就是若在类星体中心只存在一个黑洞,那么由其附近炽热气体形成的吸积盘就会一直延伸至黑洞附近,从而发射大量的紫外射线。但若中心存在两个相互绕转的黑洞,则它们与吸积盘的相互作用会将吸积盘内区物质扫除殆尽,那么紫外辐射就会骤然减弱。”

但是,类星体有可能存在一种特别的、有规律的光变:当它中心的黑洞不是一个,而是一对时,受到两个黑洞相互绕转轨道运动的影响,这对双黑洞吸收物质的速率就会发生相应的变化——反映在光变曲线里,便会呈现出周期性的光变。

对于这样的双黑洞,科学家早有理论预期。“观测发现几乎每个星系中心都存在一个黑洞。宇宙中很多星系是成双成对的,两个星系相互绕转、相互靠近并最终碰撞合并为一个星系,在这个过程中自然会同时产生双黑洞系统。”陆由俊说。

根据动力学模型的评估,科学家们模拟了两个黑洞存在的类星体,发现这种情况符合在类星体Markarian
231所观测到的紫外辐射分布,展示了在类星体Markarian
231中心存在一个彼此非常接近的双黑洞系统。

为什么我们认为会有双黑洞存在?这要从宇宙学和星系的演化说起:根据当今的宇宙学模型,小尺度的结构率先形成,于是宇宙早期先有了小型的星系;它们通过吸收星系之间的物质,以及与其他星系并合,渐渐成长为大型的星系——就好比一个小公司通过雇用员工,以及与其他公司合并,成为了一个大公司。星系的这种并合现象在宇宙各阶段和各处都有发生,我们已经见到了许多处于不同并合阶段的星系。

戴新宇也表示,宇宙的结构,比如那些巨大的星系或者星系团,都是从小通过不断融合逐渐变大的,双黑洞是星系融合产生的自然结果。

陆由俊告诉记者,寻找、证认双黑洞对理解星系和类星体的形成演化以及进一步研究引力波和基本引力理论都具有重要意义。尽管理论上预期在相当多的星系和类星体中心存在超大质量双黑洞,观测上有关双黑洞存在的证据仍很模糊、稀少。他们的这一发现不仅提供了在Markarian
231中存在密近超大质量双黑洞比较确凿的证据,而且也给出了利用类星体光学紫外连续谱辐射缺失这一新方法系统搜寻双黑洞的一个样板。

图片 3哈勃望远镜拍摄的一对正处于并合过程中的星系——著名的“触须”星系。图片来源:NASA,
ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

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