星系中心有些黑洞會成對——但是探測這些成對的黑洞并不容易

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，會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：極端時空模擬/激光干涉儀引力波天文臺）

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

每一個星系的中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，正如每個雞蛋都有一個蛋黃。但有時，母雞會下有兩個蛋黃的蛋。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)——既兩個相互繞轉(zhuǎn)在一起的超大質(zhì)量黑洞。

黑洞是太空中的強引力區(qū)域，其引力強烈到甚至連光都無法從其附近逃脫。當一顆大質(zhì)量恒星從內(nèi)部核心坍縮時，就會形成黑洞。然后，這個黑洞就像個宇宙吸塵器一樣開始運作。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。我們這些科學家們研究它們，以了解引力是如何運作，以及星系是如何形成的。

弄清楚一個星系的中心是有一個還是有兩個黑洞，并不像打碎一個雞蛋來檢查里面有幾個蛋黃那么容易。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會發(fā)生什么。

在一項新研究中，我們的團隊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，這些星系會與其他星系相撞，導致星系合并，從而形成一個更大、更重的星系。

而在兩個合并星系的中心，會各自都有一個黑洞。從而當這兩個星系的黑洞足夠接近時，它們可能會形成一對受引力束縛的黑洞。這對黑洞可能會存在數(shù)億年，直至兩個黑洞最終合二為一。

這樣的雙黑洞，會以引力波的形式釋放能量——這是專業(yè)天文臺可以探測到的時空漣漪。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，這些時空漣漪以光速傳播，從而導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，通常在脈沖星計時陣列中使用。脈沖星旋轉(zhuǎn)得非常快，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。

脈沖星計時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。但其靈敏度，仍不足以探測到單個星系中單個雙黑洞系統(tǒng)發(fā)出的引力波信號。即使是最強大的望遠鏡，也無法直接對這些雙黑洞進行成像。因此，天文學家必須使用其他巧妙的間接方法，來確定一個星系中心是否存在有超大質(zhì)量雙黑洞。

藝術家對深空脈沖星的描繪。（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。這些活躍星系發(fā)射的能量，遠遠超過天文學家根據(jù)它們所含的恒星、氣體和塵埃數(shù)量所預期的能量。

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。在一個稱為吸積的過程中，每個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會加速——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。當這些噴流與我們的天文臺的視線對齊時，它們會顯得非常明亮，就像宇宙燈塔。

一些活躍星系核擁有周期性的光信號，這些光信號會變亮、變暗，再次變亮。這一獨特的信號，可能來自內(nèi)部兩個超大質(zhì)量黑洞的周期性運動。據(jù)此，天文學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)

我們的團隊研究了一個稱為 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)部可能存在一對超大質(zhì)量的雙黑洞。當然，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，在一些時候，當黑洞吸入氣體時，密集的氣體團塊會聚集在黑洞周圍。

我們的計算表明，這些氣體團塊圍繞兩個黑洞旋轉(zhuǎn)所需的時間，應該是兩個黑洞相互旋轉(zhuǎn)所需時間的 5 到 10 倍。

因此，我們最終有了一個可以對之進行檢驗的明確預測。即如果雙黑洞系統(tǒng)導致 PG 1553+153 出現(xiàn) 2.2 年的周期性變化，那么對于氣體團塊圍繞黑洞的旋轉(zhuǎn)，我們就應該能夠看到一個更長周期的變化模式，即大約每 10 到 20 年為一個周期。

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

天文學家們已經(jīng)觀測天空數(shù)百年了。但是，數(shù)字天文學的時代才剛剛開始。也就是說，天文圖像被記錄在計算機上并保存在數(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，天文學家就在黑膠底片上記錄天空的圖像。這些涂有感光化學層的平板玻璃，傳統(tǒng)上用于攝影。世界各地的許多天文臺都存有可追溯到一百多年前的夜空照片。而更早之前，天文學家則是在筆記本上勾勒出天空的樣子。

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

我們的團隊了解到，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。我們使用這個數(shù)據(jù)集，來看看是否可以觀測到每 10 到 20 年重復一次的模式。

結(jié)果令我們有些驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個 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 的核心存在一個雙黑洞系統(tǒng)的假設。這一模式的發(fā)現(xiàn)，還使我們計算出兩個超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量比為 2.5:1——其中一個是另一個的 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時陣列變得足夠靈敏，從而可以探測到來自 PG 1553+153 的引力波那時為止。

本文由 《對話》雜志提供。

BY:馬可.阿耶羅

FY: Asis Rui

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