研究發(fā)現(xiàn)一個星系“懷抱”兩個大黑洞 還需“擦亮眼睛”耐心等待

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

目前觀測數(shù)據(jù)顯示，每個星系中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，幾乎沒有例外。它們有著不同的狀態(tài)——有的正在吞噬物質(zhì)、活躍異常;有的停止“進(jìn)食”、安靜沉睡。

然而，最近的一項研究卻發(fā)現(xiàn)星系中心可能存在兩個超大質(zhì)量黑洞。

近期，一個國際研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了11個活躍星系的周期性伽馬射線暴發(fā)，其中2個為已知源，9個為新源。研究者認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)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(zhì)量黑洞。

該研究成果已發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上。

周期性變化信號或是重要特征

確定伽馬射線信號的周期性模式，就像是在狂風(fēng)暴雨的海洋中找出由一艘小船駛過而引起的微小、有規(guī)則的波紋

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(zhì)量黑洞，是如何被找到的?

事實上，黑洞處于活躍的“進(jìn)食”狀態(tài)時，其附近物質(zhì)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(zhì)可能在被“吃”之前沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，產(chǎn)生噴流。

科學(xué)家就是通過觀測吸積盤或噴流釋放的電磁波信號，發(fā)現(xiàn)了這些隱匿在星系中心的黑洞。“通常情況下，科學(xué)家可通過光學(xué)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。”中國科學(xué)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(yuǎn)鏡長達(dá)9年的伽馬射線觀測數(shù)據(jù)，較為系統(tǒng)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(guī)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(fēng)暴雨的海洋中找出由一艘小船駛過而引起的微小、有規(guī)則的波紋。”文章第一作者、西班牙馬德里大學(xué)佩尼爾博士表示，這一研究結(jié)果或?qū)⒅С中窍抵行拇嬖趦蓚€超大質(zhì)量黑洞的觀點。

星系中心雙黑洞為何可能會導(dǎo)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(dǎo)致噴流亮度發(fā)生周期性變化。如果星系中心存在兩個相互繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，二者周圍的吸積盤也會周期性“轉(zhuǎn)圈”，落入黑洞中的物質(zhì)質(zhì)量也會存在周期性變化規(guī)律，進(jìn)而影響黑洞發(fā)射的噴流亮度，望遠(yuǎn)鏡就會接收到周期性伽馬射線信號。

另一方面，雙黑洞繞轉(zhuǎn)也會導(dǎo)致噴流的噴射方向發(fā)生周期性改變。就像地球同時存在公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)一樣，雙黑洞模型中，每個黑洞都存在繞另一黑洞旋轉(zhuǎn)的軌道角動量，以及自身旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)角動量。通常，軌道角動量和自轉(zhuǎn)角動量并不相同，二者耦合，自轉(zhuǎn)角動量會在軌道角動量的擾動下發(fā)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(nèi)以黑洞為中心來回?fù)u擺。由于地球上的望遠(yuǎn)鏡始終處于觀測目標(biāo)的某一特定方向，因此我們接收到的伽馬射線信號也時強(qiáng)時弱，具有規(guī)律性。

“除了伽馬射線，此前也有學(xué)者通過梳理吸積盤發(fā)射的光學(xué)波段信號，以周期性光變作為雙黑洞存在的觀測依據(jù)。”陸由俊表示。

當(dāng)然，導(dǎo)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(jìn)動、黑洞吸積盤本身的準(zhǔn)周期振蕩等也可能導(dǎo)致類似的周期性觀測結(jié)果。

早有推斷卻缺乏觀測“實錘”

雙黑洞以較高角速度相互繞轉(zhuǎn)，會將靠近的恒星“踢走”，導(dǎo)致星系中心的恒星密度變低

其實，這并非是天文學(xué)家第一次提及雙黑洞模型觀點，數(shù)十年前就有學(xué)者提出過星系中心存在超大質(zhì)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(xué)界主流觀點認(rèn)為，兩個星系碰撞或合并后可能會在星系中心形成超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。”陸由俊說。

天文學(xué)家此前已經(jīng)觀測到過很多次兩星系碰撞或合并，表明這種現(xiàn)象并不罕見，甚至在宇宙早期發(fā)生的頻率會更高。例如，此前《自然》期刊上曾發(fā)表過一項研究成果，研究人員一次性發(fā)現(xiàn)了數(shù)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(tǒng)，但經(jīng)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(zhì)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(zhuǎn)，會將靠近的恒星“踢走”，導(dǎo)致星系中心的恒星密度變低。觀測方面，也會出現(xiàn)前文提及的相關(guān)電磁信號周期性變化，其光譜各波段的能量配比和發(fā)射線輪廓變化也會與單黑洞星系有所不同。

他進(jìn)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(xué)界推測星系中心超大質(zhì)量雙黑洞在相互靠近、合并的過程中會輻射出較強(qiáng)的引力波。2016年，天文學(xué)家首次探測到來自恒星級雙黑洞合并的引力波信號。當(dāng)然，如果是星系中心的超大質(zhì)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(zhì)量雙黑洞的引力波高，但頻率更低。我國正在計劃建設(shè)的空間引力波探測設(shè)備，主要目標(biāo)之一就是探測星系中心的大質(zhì)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(zhì)量雙黑洞的案例。”陸由俊說。

還需“擦亮眼睛”耐心等待

接下來還要繼續(xù)探索其背后有關(guān)星系形成、演化，以及雙黑洞系統(tǒng)特性、合并等現(xiàn)象的機(jī)制

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)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(yuǎn)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(zhì)量雙黑洞，但受限于望遠(yuǎn)鏡的分辨率，只呈現(xiàn)出了一個亮核，被誤認(rèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不足。自天文學(xué)家伽利略憑借其制作的一架折射式望遠(yuǎn)鏡將天文學(xué)帶入了望遠(yuǎn)鏡時代起，現(xiàn)代天文觀測歷史充其量也僅有數(shù)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。“我們也許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(jù)或許需要未來長時間的等待和探尋，如探測到大質(zhì)量雙黑洞并合發(fā)射的低頻引力波等。”陸由俊說。

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(huán)境的關(guān)系對于構(gòu)建星系形成、演化的完整圖景至關(guān)重要。”文章合著者、美國克萊姆森大學(xué)物理與天文科學(xué)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(jù)，接下來還要繼續(xù)探索其背后有關(guān)星系形成、演化，以及雙黑洞系統(tǒng)特性、合并等現(xiàn)象的機(jī)制。

“屆時，可以結(jié)合電磁波理論與引力波理論，共同探究黑洞的本質(zhì)，從而挖掘出有關(guān)時空的更多信息，加深我們對宇宙本質(zhì)的理解。”陸由俊說。(實習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 一個星系 兩個大黑洞