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直擊“小突峰(Spikey)”:一對可能正在合并中的超大質量黑洞

來源:環球科學

圖片源于藝術家對兩個即將合并黑洞的想象,它們各自為一個發光圓盤所環繞,而發光圓盤由墜落的殘留氣體和塵埃所組成。圖片來源:NASA

在一個遙遠星系的中心,一個奇怪地發出“亮光”的物體可能是解開宇宙最巨大的黑洞合并之謎的關鍵。

超大質量黑洞的質量達到我們星系太陽的數百萬乃至十億倍,它們是終極的“重量級”選手,并且它們隱藏在幾乎每一個大星系的中心。雖然它們不發光,但是這些物體作為活躍星系核時(AGNs)可以產生壯觀的天體煙火,在“進食”氣體和塵埃時發出高能粒子噴流并產生由殘留物質形成的旋轉“盤”,它們在整個宇宙都清晰可見。現在,科學家在一個遙遠的活躍星系核發現了一道亮光,他們懷疑是一個超大質量黑洞放大了附近的另一個超大質量黑洞釋放的光。這意味著這對黑洞可能在之后的100,000年后合并。如果這兩個黑洞真的合并的話,它們將讓天文學家可以史無前例地觀察到黑洞是如何相互靠近合并,這一科學家仍不怎么理解的過程。

在2017年,天體物理學家Daniel D'Orazio和Rosanne Di Stefano 詳細描述了一對即將合并的超大質量黑洞會如何互相產生引力透鏡效應,以及如果即將發生的合并的軌道平面和地球平行的話,隨之產生的信號將如何能被觀察到。環繞黑洞的物質在向其中任何一個黑洞加速時,應該會輻射x射線。當其中一個黑洞在另一個黑洞前面經過時,前面的黑洞的巨大并能扭曲時空的引力場將能像一塊透鏡一樣放大背后的光源。“這是一個非常獨特的現象,” Di Stefano說道,她是哈佛大學和史密森尼研究院天體物理中心的一名研究員。

在10月份,她和D’Orazio與數位合作者一起,報告發現了一個物體發出與她們的理論預測一致的信號。在2011年由NASA負責尋找行星的開普勒太空望遠鏡所搜集的信息發現了一個活躍星系核的圖譜上有一個奇怪的波峰。如果這個被戲稱“小突峰”的物體,正如D’Orazio和他的同事預測的那樣,在今年春天再次發出“亮光”的話,這將會成為他所說的證明其是一對即將合并的超大質量黑洞的有力證據。多拉齊奧是哈佛大學的以為天文學家。他在美國天文學會上個月在檀香山舉行的一個的會議上展示了這些新的分析結果。

“最后一秒差距問題”

當星系碰撞時,在它們中心的超大質量黑洞最后將會進入新創造的星系的中心并最終會被拉到一起。對合并中星系的核心的觀測表明可能只有一個超大質量黑洞(很可能由兩個或多個黑洞合并而來),或是黑洞在幾秒差距以內相互環繞(一秒差距大概是3.26光年)。

“我們確信當兩個星系合并時,在它們各自中心的黑洞將靠近到一秒差距以內,” 麻省理工學院的天體物理學家Scott Hughes說道。他沒有參與這項研究。

問題在于最后一秒差距,那里的重力將不足以克服每個黑洞軌道所產生的離心力,以使它們進一步靠近。如果沒有穩定的物質流入來推一把的話,這兩個黑洞可能就此止步,并維持相持的狀態直至宇宙最后一刻。更小的,恒星質量黑洞則不存在這一問題,它們可以通過釋放大量引力波來釋放多余的軌道能量,從而更容易地合并。而更大的黑洞則需要幫助來克服那最后的難題,然后它們就能通過釋放引力波釋放多余的軌道能量。到那時將沒有什么能阻止它們的合并。

“我們并不太了解在最后那一秒差距發生了什么,”加州理工學院的宇宙學家Matthew Graham說道,他并沒有參與這項新的研究。“我們有理論解釋,但是我們沒有很好的觀測證據來支持理論。”至少,研究人員目前還沒有這樣的證據。

除了發現了數以千計的地外星系以外,開普勒太空望遠鏡還發現了幾十個活躍星系核。2018年對這些物體的一份研究發現一個名為KIC 11606854的物體有反常的“發光”活動。進一步的觀測表明,這時亮時暗的光與一對合并中的黑洞對彼此可能產生引力透鏡效應的預測一致。你好,“小突峰”。

“一切都十分巧合,” Betty Hu說道。他是哈佛大學的一名研究生,同時也是匯報 “小突峰”發現的預印論文的第一作者。研究開普勒望遠鏡發現的活躍星系核的研究者告知了D’Orazio和他的同事這一信息,他們隨即發現這信號與引力透鏡模型匹配的非常好,Di Stefano說道。

Di Stefano預測合并中的黑洞可能各自被一個“迷你盤”所環繞,而“迷你盤”嵌在一個更大的同時環繞兩個黑洞的共享盤里。隨著黑洞的進食,迷你盤可能會逐漸消失,只是間或會受到來自外面大盤的物質的補充。每個黑洞各自“咀嚼”一個盤可能會有帶來一個好處,這會釋放額外的軌道能量,并讓兩個黑洞螺旋地相互靠近,進而可能克服最后一秒差距問題。根據研究者的模型,“小突峰”將在大約100,000年后合并——這在天文學的時間尺度上,不過是相當于一眨眼的功夫。

直至下一次“亮光”

然而,僅僅一次“亮光”并不足以證實“小突峰”是一對合并中的黑洞。D’Orazio和他的同事們已經著手計劃在今年春天研究“小突峰”以尋找更多的證據。基于他們對于這對黑洞軌道最準確的估計,他們初步預計下一次引力透鏡事件最有可能于2020年4月發生。但是,Hu說道,仍存在的不確定性意味著“亮光”可能再2月至7月的任何時間點發生。

該團隊已經預訂了NASA錢德拉X射線天文臺以觀測預計在4月份發生的“亮光”,它應該會持續10天左右。與此同時,研究者也將繼續使用地面的設備監測該系統。如果“小突峰”在4月以前開始有發出“亮光”的跡象,他們希望能夠窺視到,從而轉用錢德拉和其它設備進行觀察。“我認為,(D’Orazio)做得很好,很好地找到了所有可行的方法對這個系統進行跟進,這各系統是合并中黑洞的最佳候選者,” Di Stefano說道。

如果“小突峰”和預計的一樣在今年春季再次發出“亮光”,這將意義重大。“如果它能穩定地發出“亮光”并確實是雙黑洞系統的話,我認為它將成為一個很好的例子,告訴我們如果試圖尋找相互接近但仍未合并的雙黑洞系統,應該尋找什么樣的特征。”修說道。這樣一個例子將會讓將來尋找合并中的超大質量黑洞變得更加容易。

同時那樣的結果對于歐洲太空局激光干涉儀太空天線(LISA)任務也會是個好消息。它預計將在2030年前后發射以偵測超大質量黑洞釋放的引力波。雖然LISA很可能不會觀測到“小突峰”的合并,但是它可以讓該任務的規劃者更好地了解有多少個正在合并中的龐然大物供這個太空探測器觀測。

無 “亮光”之謎

但“小突峰”也有可能不再“發光”,也許它根本就不是一對超大質量黑洞。據Graham所說,過去幾年有越來越多的研究聲稱發現可能正在合并中的超大質量黑洞,結果最后發現卻是其他的東西。

如果在7月份過去之后仍然沒有任何再次產生“亮光”的跡象,那有可能原來的事件只是源于一個相對普通活躍星系核的之前從未見過的一種“亮光”。雖然還有一些其他的接近合并的超大質量黑洞的候選者有待證實,但是沒有監測到“亮光”將讓合并中的黑洞的搜索幾乎回到原點。

但是沒有再次觀測到“亮光”并不必然意味著Di Stefano和D’Orazio的模型是錯誤的。“這是一個在宇宙中某個地方必然會發生的過程,”Di Stefano說道。只要兩個黑洞相互環繞,就應該會產生引力透鏡效應。只要是這對黑洞在一個適當的方位,那么這個效應就可以在地球上觀測到。她和D’Orazio在她們原來的論文中預測大概有10%的雙黑洞系統會在一個合適的角度,讓天文學家能一窺它們因為引力透鏡效應發出的“亮光”。

“就算‘小突峰’沒有再發出“亮光”,我們也知道這樣的過程會發生,”Di Stefano說道。“最終,我們應該能偵測到,但我們可能要觀測其它的雙黑洞系統來找到它。”Graham同意他的觀點。“這是個簡潔合理的想法,”他說道,“這些東西應當會產生引力透鏡效應。”

作者:Nola Taylor Redd

翻譯:莫澤鑫

審校:郭曉

引進來源:科學美國人

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本文來自:環球科學
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[責任編輯:環球科學]
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