一個星系“懷抱”兩個大黑洞,是種怎樣的體驗?

科技日報 2020-07-08

  絕大部分星系中心都盤踞著一個龐然大物——超大質量黑洞,其質量大約是數百萬倍甚至數十億倍太陽質量不等。

  目前觀測數據顯示,每個星系中心都有一個超大質量黑洞,幾乎沒有例外。它們有著不同的狀態——有的正在吞噬物質、活躍異常;有的停止“進食”、安靜沉睡。

  然而,最近的一項研究卻發現星系中心可能存在兩個超大質量黑洞。

  近期,一個國際研究團隊發現了11個活躍星系的周期性伽馬射線暴發,其中2個為已知源,9個為新源。研究者認為導致這一現象的原因可能有多種,其中一種便是這些星系的中心存在兩個超大質量黑洞。

  該研究成果已發表在《天體物理學》期刊上。

  周期性變化信號或是重要特征

  眾所周知,黑洞引力巨大,連光也無法逃脫其“魔爪”。藏匿于星系核心的超大質量黑洞,是如何被找到的?

  事實上,黑洞處于活躍的“進食”狀態時,其附近物質在被吞噬的過程中相互摩擦釋放能量,形成明亮的吸積盤;有部分物質可能在被“吃”之前沿著旋軸的方向噴射出高能粒子,產生噴流。

  科學家就是通過觀測吸積盤或噴流釋放的電磁波信號,發現了這些隱匿在星系中心的黑洞?!巴ǔG闆r下,科學家可通過光學波段電磁信號觀測黑洞吸積盤,而噴流的大部分能量則是以伽馬射線、X射線和射電輻射的形式釋放?!敝袊茖W院國家天文臺研究員陸由俊在接受科技日報記者采訪時表示。

  在此次研究中,研究人員便是利用了美國國家航空航天局(NASA)費米太空望遠鏡長達9年的伽馬射線觀測數據,較為系統地梳理了2000多個星系中心的活躍黑洞信號,最終找出11個具有周期性變化規律的伽馬射線源,變化周期平均2年左右。

  “確定伽馬射線信號的周期性模式,就像是在狂風暴雨的海洋中找出由一艘小船駛過而引起的微小、有規則的波紋?!蔽恼碌谝蛔髡?、西班牙馬德里大學佩尼爾博士表示,這一研究結果或將支持星系中心存在兩個超大質量黑洞的觀點。

  星系中心雙黑洞為何可能會導致周期性伽馬射線信號?陸由俊表示,可以從以下兩個方面來理解。

  一方面,雙黑洞相互擾動會導致噴流亮度發生周期性變化。如果星系中心存在兩個相互繞轉的超大質量黑洞,二者周圍的吸積盤也會周期性“轉圈”,落入黑洞中的物質質量也會存在周期性變化規律,進而影響黑洞發射的噴流亮度,望遠鏡就會接收到周期性伽馬射線信號。

  另一方面,雙黑洞繞轉也會導致噴流的噴射方向發生周期性改變。就像地球同時存在公轉和自轉一樣,雙黑洞模型中,每個黑洞都存在繞另一黑洞旋轉的軌道角動量,以及自身旋轉的自轉角動量。通常,軌道角動量和自轉角動量并不相同,二者耦合,自轉角動量會在軌道角動量的擾動下發生周期性變化,噴流的方向也就會隨之改變。想象一下,原本單一黑洞的噴流方向是固定的,然而由于另一個黑洞的擾動,原本方向固定的噴流在一個周期內以黑洞為中心來回搖擺。由于地球上的望遠鏡始終處于觀測目標的某一特定方向,因此我們接收到的伽馬射線信號也時強時弱,具有規律性。

  “除了伽馬射線,此前也有學者通過梳理吸積盤發射的光學波段信號,以周期性光變作為雙黑洞存在的觀測依據?!标懹煽”硎?。

  當然,導致觀測信號周期性變化的原因并非只有雙黑洞,單一黑洞吸積盤或噴流的進動、黑洞吸積盤本身的準周期振蕩等也可能導致類似的周期性觀測結果。

  早有推斷卻缺乏觀測“實錘”

  其實,這并非是天文學家第一次提及雙黑洞模型觀點,數十年前就有學者提出過星系中心存在超大質量雙黑洞的理論推測,卻一直沒有在實際觀測中找到“實錘”。

  “學界主流觀點認為,兩個星系碰撞或合并后可能會在星系中心形成超大質量雙黑洞系統?!标懹煽≌f。

  天文學家此前已經觀測到過很多次兩星系碰撞或合并,表明這種現象并不罕見,甚至在宇宙早期發生的頻率會更高。例如,此前《自然》期刊上曾發表過一項研究成果,研究人員一次性發現了數個星系合并的例子,星系中心黑洞也在相互靠近。雖然目前尚未形成真正意義上的單星系雙黑洞系統,但經過未來長時間的演化,終將會形成雙黑洞。

  如果星系中心真的存在超大質量雙黑洞,會給星系帶來怎樣的影響?

  陸由俊告訴科技日報記者,雙黑洞以較高角速度相互繞轉,會將靠近的恒星“踢走”,導致星系中心的恒星密度變低。觀測方面,也會出現前文提及的相關電磁信號周期性變化,其光譜各波段的能量配比和發射線輪廓變化也會與單黑洞星系有所不同。

  他進一步指出,若想證實星系中心雙黑洞的理論推測,最“簡單粗暴”的方法就是通過天文觀測,找到單個星系中心存在兩個亮核,即兩個黑洞,并分別伴有吸積盤、噴流等典型的黑洞特征圖像。

  另一方面,學界推測星系中心超大質量雙黑洞在相互靠近、合并的過程中會輻射出較強的引力波。2016年,天文學家首次探測到來自恒星級雙黑洞合并的引力波信號。當然,如果是星系中心的超大質量黑洞,其靠近、合并過程中釋放的引力波能量就會比此前觀測到恒星級質量雙黑洞的引力波高,但頻率更低。我國正在計劃建設的空間引力波探測設備,主要目標之一就是探測星系中心的大質量雙黑洞并合。

  “遺憾的是,迄今為止還沒有找到真正讓所有人信服的星系中心超大質量雙黑洞的案例?!标懹煽≌f。

  還需“擦亮眼睛”耐心等待

  在科學技術飛速發展的今天,為何始終沒有找到星系中心存在雙黑洞的“實錘”?

  陸由俊指出,首先是因為望遠鏡的分辨率還不夠高。有一種可能性是目前我們在鄰近宇宙中觀測到的某些星系中心確實存在超大質量雙黑洞,但受限于望遠鏡的分辨率,只呈現出了一個亮核,被誤認為是單黑洞星系。所以我們還需要一雙更加銳利明亮的天文觀測“眼睛”。

  其次,人類天文觀測的時間尺度遠遠不足。自天文學家伽利略憑借其制作的一架折射式望遠鏡將天文學帶入了望遠鏡時代起,現代天文觀測歷史充其量也僅有數百載。對于人類來說,這或許十分漫長,但茫茫宇宙長河中,百余年恰如彈指一揮間?!拔覀円苍S錯過了宇宙中的很多‘精彩時刻’,因此星系中心雙黑洞的證據或許需要未來長時間的等待和探尋,如探測到大質量雙黑洞并合發射的低頻引力波等?!标懹煽≌f。

  然而,即便我們十分幸運,這一推測能夠在不久的未來得以證實,這也并非終點,而是起點。

  “理解雙黑洞與其周圍環境的關系對于構建星系形成、演化的完整圖景至關重要?!蔽恼潞现?、美國克萊姆森大學物理與天文科學系副教授馬可·阿杰羅說。

  陸由俊也指出,就算我們明確找到了星系中心雙黑洞的證據,接下來還要繼續探索其背后有關星系形成、演化,以及雙黑洞系統特性、合并等現象的機制。

  “屆時,可以結合電磁波理論與引力波理論,共同探究黑洞的本質,從而挖掘出有關時空的更多信息,加深我們對宇宙本質的理解?!标懹煽≌f。

責任編輯:王超

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