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

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

目前觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，每個(gè)星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，幾乎沒(méi)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(xiàng)研究卻發(fā)現(xiàn)星系中心可能存在兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

近期，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了11個(gè)活躍星系的周期性伽馬射線暴發(fā)，其中2個(gè)為已知源，9個(gè)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(gè)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(hào)或是重要特征

確定伽馬射線信號(hào)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(guò)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(wú)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(shí)上，黑洞處于活躍的“進(jìn)食”狀態(tài)時(shí)，其附近物質(zhì)在被吞噬的過(guò)程中相互摩擦釋放能量，形成明亮的吸積盤(pán);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(guò)觀測(cè)吸積盤(pán)或噴流釋放的電磁波信號(hào)，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(guò)光學(xué)波段電磁信號(hào)觀測(cè)黑洞吸積盤(pán)，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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

在此次研究中，研究人員便是利用了美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)達(dá)9年的伽馬射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，較為系統(tǒng)地梳理了2000多個(gè)星系中心的活躍黑洞信號(hào)，最終找出11個(gè)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(hào)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(guò)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€(gè)超大質(zhì)量黑洞的觀點(diǎn)。

星系中心雙黑洞為何可能會(huì)導(dǎo)致周期性伽馬射線信號(hào)?陸由俊表示，可以從以下兩個(gè)方面來(lái)理解。

一方面，雙黑洞相互擾動(dòng)會(huì)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(gè)相互繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，二者周圍的吸積盤(pán)也會(huì)周期性“轉(zhuǎn)圈”，落入黑洞中的物質(zhì)質(zhì)量也會(huì)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(huì)接收到周期性伽馬射線信號(hào)。

另一方面，雙黑洞繞轉(zhuǎn)也會(huì)導(dǎo)致噴流的噴射方向發(fā)生周期性改變。就像地球同時(shí)存在公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)一樣，雙黑洞模型中，每個(gè)黑洞都存在繞另一黑洞旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量，以及自身旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)角動(dòng)量。通常，軌道角動(dòng)量和自轉(zhuǎn)角動(dòng)量并不相同，二者耦合，自轉(zhuǎn)角動(dòng)量會(huì)在軌道角動(dòng)量的擾動(dòng)下發(fā)生周期性變化，噴流的方向也就會(huì)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(gè)黑洞的擾動(dòng)，原本方向固定的噴流在一個(gè)周期內(nèi)以黑洞為中心來(lái)回?fù)u擺。由于地球上的望遠(yuǎn)鏡始終處于觀測(cè)目標(biāo)的某一特定方向，因此我們接收到的伽馬射線信號(hào)也時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，具有規(guī)律性。

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

當(dāng)然，導(dǎo)致觀測(cè)信號(hào)周期性變化的原因并非只有雙黑洞，單一黑洞吸積盤(pán)或噴流的進(jìn)動(dòng)、黑洞吸積盤(pán)本身的準(zhǔn)周期振蕩等也可能導(dǎo)致類似的周期性觀測(cè)結(jié)果。

早有推斷卻缺乏觀測(cè)“實(shí)錘”

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

其實(shí)，這并非是天文學(xué)家第一次提及雙黑洞模型觀點(diǎn)，數(shù)十年前就有學(xué)者提出過(guò)星系中心存在超大質(zhì)量雙黑洞的理論推測(cè)，卻一直沒(méi)有在實(shí)際觀測(cè)中找到“實(shí)錘”。

“學(xué)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為，兩個(gè)星系碰撞或合并后可能會(huì)在星系中心形成超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。”陸由俊說(shuō)。

天文學(xué)家此前已經(jīng)觀測(cè)到過(guò)很多次兩星系碰撞或合并，表明這種現(xiàn)象并不罕見(jiàn)，甚至在宇宙早期發(fā)生的頻率會(huì)更高。例如，此前《自然》期刊上曾發(fā)表過(guò)一項(xiàng)研究成果，研究人員一次性發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)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(guò)未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間的演化，終將會(huì)形成雙黑洞。

如果星系中心真的存在超大質(zhì)量雙黑洞，會(huì)給星系帶來(lái)怎樣的影響?

陸由俊告訴科技日?qǐng)?bào)記者，雙黑洞以較高角速度相互繞轉(zhuǎn)，會(huì)將靠近的恒星“踢走”，導(dǎo)致星系中心的恒星密度變低。觀測(cè)方面，也會(huì)出現(xiàn)前文提及的相關(guān)電磁信號(hào)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(huì)與單黑洞星系有所不同。

他進(jìn)一步指出，若想證實(shí)星系中心雙黑洞的理論推測(cè)，最“簡(jiǎn)單粗暴”的方法就是通過(guò)天文觀測(cè)，找到單個(gè)星系中心存在兩個(gè)亮核，即兩個(gè)黑洞，并分別伴有吸積盤(pán)、噴流等典型的黑洞特征圖像。

另一方面，學(xué)界推測(cè)星系中心超大質(zhì)量雙黑洞在相互靠近、合并的過(guò)程中會(huì)輻射出較強(qiáng)的引力波。2016年，天文學(xué)家首次探測(cè)到來(lái)自恒星級(jí)雙黑洞合并的引力波信號(hào)。當(dāng)然，如果是星系中心的超大質(zhì)量黑洞，其靠近、合并過(guò)程中釋放的引力波能量就會(huì)比此前觀測(cè)到恒星級(jí)質(zhì)量雙黑洞的引力波高，但頻率更低。我國(guó)正在計(jì)劃建設(shè)的空間引力波探測(cè)設(shè)備，主要目標(biāo)之一就是探測(cè)星系中心的大質(zhì)量雙黑洞并合。

“遺憾的是，迄今為止還沒(méi)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(shuō)。

還需“擦亮眼睛”耐心等待

接下來(lái)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(méi)有找到星系中心存在雙黑洞的“實(shí)錘”?

陸由俊指出，首先是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的分辨率還不夠高。有一種可能性是目前我們?cè)卩徑钪嬷杏^測(cè)到的某些星系中心確實(shí)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(gè)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(cè)“眼睛”。

其次，人類天文觀測(cè)的時(shí)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(shí)代起，現(xiàn)代天文觀測(cè)歷史充其量也僅有數(shù)百載。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，這或許十分漫長(zhǎng)，但茫茫宇宙長(zhǎng)河中，百余年恰如彈指一揮間。“我們也許錯(cuò)過(guò)了宇宙中的很多‘精彩時(shí)刻’，因此星系中心雙黑洞的證據(jù)或許需要未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間的等待和探尋，如探測(cè)到大質(zhì)量雙黑洞并合發(fā)射的低頻引力波等。”陸由俊說(shuō)。

然而，即便我們十分幸運(yùn)，這一推測(cè)能夠在不久的未來(lái)得以證實(shí)，這也并非終點(diǎn)，而是起點(diǎn)。

“理解雙黑洞與其周圍環(huán)境的關(guān)系對(duì)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(guó)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(shuō)。

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(lái)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(shí)，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(shí)空的更多信息，加深我們對(duì)宇宙本質(zhì)的理解。”陸由俊說(shuō)。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 一個(gè)星系 兩個(gè)大黑洞