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(shí)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(fèi)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(diǎn)。
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(shí)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(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(shí)際觀測中找到“實(shí)錘”。
“學(xué)界主流觀點(diǎn)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(shí)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(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在鄰近宇宙中觀測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(yùn)，這一推測能夠在不久的未來得以證實(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(shí)習(xí)記者 于紫月)
