星系中心有些黑洞會(huì)成對(duì)——但是探測這些成對(duì)的黑洞并不容易

宇宙中的雙黑洞有多普遍？從百年天文歷史數(shù)據(jù)中，尋找雙黑洞存在的跡象

尋找雙黑洞——活躍星系核中發(fā)出的周期性信號(hào)，會(huì)是雙黑洞存在的證據(jù)嗎

一些黑洞因受重力約束，而繞彼此旋轉(zhuǎn)，如模擬圖所示。

（圖片來源：極端時(shí)空模擬/激光干涉儀引力波天文臺(tái)）

本文首發(fā)于《對(duì)話》學(xué)術(shù)雜志，并轉(zhuǎn)載在space.com “太空網(wǎng)”的“專家之聲：評(píng)論與見解”中。作者馬可.阿耶羅是南卡羅來納州克萊姆森大學(xué)的物理和天文學(xué)教授，喬??納森·扎拉克目前也在該校任物理學(xué)助理教授。

每一個(gè)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，正如每個(gè)雞蛋都有一個(gè)蛋黃。但有時(shí)，母雞會(huì)下有兩個(gè)蛋黃的蛋。同樣，像我們這樣研究超大質(zhì)量黑洞的天體物理學(xué)家們，也希望能在某些星系的中心找到雙黑洞系統(tǒng)——既兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)在一起的超大質(zhì)量黑洞。

黑洞是太空中的強(qiáng)引力區(qū)域，其引力強(qiáng)烈到甚至連光都無法從其附近逃脫。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星從內(nèi)部核心坍縮時(shí)，就會(huì)形成黑洞。然后，這個(gè)黑洞就像個(gè)宇宙吸塵器一樣開始運(yùn)作。而這種超大黑洞的質(zhì)量，是太陽質(zhì)量的百萬倍甚至更大。我們這些科學(xué)家們研究它們，以了解引力是如何運(yùn)作，以及星系是如何形成的。

弄清楚一個(gè)星系的中心是有一個(gè)還是有兩個(gè)黑洞，并不像打碎一個(gè)雞蛋來檢查里面有幾個(gè)蛋黃那么容易。但是，測量這種超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率，仍然可以幫助研究人員了解星系合并時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

在一項(xiàng)新研究中，我們的團(tuán)隊(duì)挖掘了一百多年來的天文歷史數(shù)據(jù)。我們從不同星系發(fā)出的光線中，尋找雙超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)存在的跡象。

星系碰撞與引力波

像我們銀河系這樣的星系，其年齡幾乎和宇宙一樣古老。但有時(shí)，這些星系會(huì)與其他星系相撞，導(dǎo)致星系合并，從而形成一個(gè)更大、更重的星系。

而在兩個(gè)合并星系的中心，會(huì)各自都有一個(gè)黑洞。從而當(dāng)這兩個(gè)星系的黑洞足夠接近時(shí)，它們可能會(huì)形成一對(duì)受引力束縛的黑洞。這對(duì)黑洞可能會(huì)存在數(shù)億年，直至兩個(gè)黑洞最終合二為一。

這樣的雙黑洞，會(huì)以引力波的形式釋放能量——這是專業(yè)天文臺(tái)可以探測到的時(shí)空漣漪。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，這些時(shí)空漣漪以光速傳播，從而導(dǎo)致周圍的空間本身像波浪一樣起伏——即伸展和擠壓。

引力波的存在，可以通過脈沖星來進(jìn)行探測。脈沖星是坍縮恒星的致密明亮核心，通常在脈沖星計(jì)時(shí)陣列中使用。脈沖星旋轉(zhuǎn)得非?？?，并發(fā)射出周期性的無線電波。通過尋找這種周期性無線電波中的間隙和異常，可以探測到引力波的存在。

脈沖星計(jì)時(shí)陣列可以探測到過去 90 億年內(nèi)，宇宙中雙黑洞系統(tǒng)整體發(fā)出的集體引力波信號(hào)。但其靈敏度，仍不足以探測到單個(gè)星系中單個(gè)雙黑洞系統(tǒng)發(fā)出的引力波信號(hào)。即使是最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，也無法直接對(duì)這些雙黑洞進(jìn)行成像。因此，天文學(xué)家必須使用其他巧妙的間接方法，來確定一個(gè)星系中心是否存在有超大質(zhì)量雙黑洞。

藝術(shù)家對(duì)深空脈沖星的描繪。（圖片來源：Shutterstock“快門素材”圖片/音樂/視頻資料庫網(wǎng)站）

尋找雙黑洞存在的跡象

一種間接方法，是尋找來自活躍星系中心的周期性信號(hào)。這些活躍星系發(fā)射的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天文學(xué)家根據(jù)它們所含的恒星、氣體和塵埃數(shù)量所預(yù)期的能量。

這些星系從它們的核心或中心（稱為活躍星系核）發(fā)射能量。在一個(gè)稱為吸積的過程中，每個(gè)活躍星系中的黑洞利用重力將附近的氣體拉向內(nèi)部。氣體在接近黑洞事件視界時(shí)會(huì)加速——就像漩渦周圍的水向內(nèi)旋轉(zhuǎn)得越來越快一樣。

隨著溫度升高，這些氣體會(huì)在可見光、紫外線和 X 射線光下發(fā)出明亮的光芒。所以活躍星系核是宇宙中最明亮的物體之一。

一些活躍星系核可以發(fā)射噴流。噴流是加速到接近光速的粒子束。當(dāng)這些噴流與我們的天文臺(tái)的視線對(duì)齊時(shí)，它們會(huì)顯得非常明亮，就像宇宙燈塔。

一些活躍星系核擁有周期性的光信號(hào)，這些光信號(hào)會(huì)變亮、變暗，再次變亮。這一獨(dú)特的信號(hào)，可能來自內(nèi)部兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的周期性運(yùn)動(dòng)。據(jù)此，天文學(xué)家可以在這種星系中尋找雙黑洞系統(tǒng)。

搜尋雙黑洞系統(tǒng)

我們的團(tuán)隊(duì)研究了一個(gè)稱為 PG 1553+153的活躍星系核。從該核發(fā)出的光，大約每 2.2 年就變亮和變暗一次。

這種周期性變化，暗示PG 1553+153 內(nèi)部可能存在一對(duì)超大質(zhì)量的雙黑洞。當(dāng)然，雙黑洞也不是這種變化的唯一解釋。其他現(xiàn)象，如搖擺不定的噴流，或黑洞周圍物質(zhì)流動(dòng)的變化等，也能在沒有雙黑洞的情況下解釋這種模式。因此，我們必須首先排除這些其他解釋。

為了了解 PG 1553+153 系統(tǒng)的光發(fā)射模式是否來自雙黑洞，我們模擬了超大質(zhì)量雙黑洞收集氣體的過程。我們的模型表明，在一些時(shí)候，當(dāng)黑洞吸入氣體時(shí)，密集的氣體團(tuán)塊會(huì)聚集在黑洞周圍。

我們的計(jì)算表明，這些氣體團(tuán)塊圍繞兩個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)間，應(yīng)該是兩個(gè)黑洞相互旋轉(zhuǎn)所需時(shí)間的 5 到 10 倍。

因此，我們最終有了一個(gè)可以對(duì)之進(jìn)行檢驗(yàn)的明確預(yù)測。即如果雙黑洞系統(tǒng)導(dǎo)致 PG 1553+153 出現(xiàn) 2.2 年的周期性變化，那么對(duì)于氣體團(tuán)塊圍繞黑洞的旋轉(zhuǎn)，我們就應(yīng)該能夠看到一個(gè)更長周期的變化模式，即大約每 10 到 20 年為一個(gè)周期。

但要確定這是否真的是一種周期性模式，我們需要重復(fù)觀察四到五個(gè)周期。即對(duì)于 PG 1553+153，這將是 40 到 100 年。

天文學(xué)家們已經(jīng)觀測天空數(shù)百年了。但是，數(shù)字天文學(xué)的時(shí)代才剛剛開始。也就是說，天文圖像被記錄在計(jì)算機(jī)上并保存在數(shù)據(jù)庫中，大約是從公元2000 年才開始的。

在此之前，大約從 1850 年開始，天文學(xué)家就在黑膠底片上記錄天空的圖像。這些涂有感光化學(xué)層的平板玻璃，傳統(tǒng)上用于攝影。世界各地的許多天文臺(tái)都存有可追溯到一百多年前的夜空照片。而更早之前，天文學(xué)家則是在筆記本上勾勒出天空的樣子。

像哈佛大學(xué)的 DASCH（哈佛數(shù)字訪問天空世紀(jì)）這樣的項(xiàng)目，已經(jīng)開始將一些天文臺(tái)的攝影膠片數(shù)字化，以便科學(xué)家和非科學(xué)家們都能使用。

我們的團(tuán)隊(duì)了解到，DASCH 數(shù)據(jù)庫提供了可追溯到 1900 年的 PG 1553+153 數(shù)據(jù)，這超過了120 年。我們使用這個(gè)數(shù)據(jù)集，來看看是否可以觀測到每 10 到 20 年重復(fù)一次的模式。

結(jié)果令我們有些驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 20 年周期的模式。這為我們的理論提供了更多證據(jù)，以支持 PG 1553+153 的核心存在一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)的假設(shè)。這一模式的發(fā)現(xiàn)，還使我們計(jì)算出兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量比為 2.5:1——其中一個(gè)是另一個(gè)的 2.5 倍——并且它們的軌道幾乎是圓形的。

雖然這些歷史數(shù)據(jù)讓我們更加相信PG 1553+153 中可能存在兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。但我們?nèi)匀徊荒芡耆_信。最終的確定可能需要等到脈沖星計(jì)時(shí)陣列變得足夠靈敏，從而可以探測到來自 PG 1553+153 的引力波那時(shí)為止。

本文由 《對(duì)話》雜志提供。

BY:馬可.阿耶羅

FY: Asis Rui

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