作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2015/9/14 10:16:51
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双黑洞探寻:曙光来了吗

 

■本报记者 倪思洁

黑洞一直是宇宙中令人浮想联翩的存在。

如今,科学家们又有了新发现——在距离地球最近的类星体“马卡良231”(Markarian231)中隐藏着超大质量双黑洞。这一研究由国家天文台研究员陆由俊、美国俄克拉何马大学教授戴新宇等人组成的团队共同完成,相关成果发表于《天体物理杂志》。

“这次研究不仅证明了‘马卡良231’星系中双黑洞的存在,同时还为我们以后系统研究双黑洞提供了新方法,即研究分析其发射出来的光学和紫外线。”陆由俊在接受《中国科学报》记者采访时说。与此同时,也有专家表示,该研究仍有待后续验证。

“太极”黑洞

距地球6亿光年的“马卡良231”星系1969年被发现。它拥有非常亮的星系核,其电磁辐射主要来自中心的超质量黑洞以及由弥散物质组成的、围绕黑洞转动的吸积盘。

正是在这个遥远的星系中,科学家发现了超质量双黑洞系统,它们如同两条太极鱼,围绕着彼此不断旋转,组成一个“太极”圆盘。

对于这样的双黑洞,科学家早有理论预期。“观测发现几乎每个星系中心都存在一个黑洞。宇宙中很多星系是成双成对的,两个星系相互绕转、相互靠近并最终碰撞合并为一个星系,在这个过程中自然会同时产生双黑洞系统。”陆由俊说。

戴新宇也表示,宇宙的结构,比如那些巨大的星系或者星系团,都是从小通过不断融合逐渐变大的,双黑洞是星系融合产生的自然结果。

对于宇宙学家来说,黑洞不仅是科幻片中震撼的视觉感受,更是一种极端的物理现象。“黑洞代表着时空边缘,是引力极端作用下形成的完美天体,对研究引力理论,验证爱因斯坦的广义相对论来说都非常重要。”陆由俊说。

引力波辐射是广义相对论最有意思并等待验证的预言,而双黑洞绕转会产生强烈的引力波辐射,导致时空畸变。证认出更多的双黑洞,将有利于帮助更好地理解双黑洞、类星体和星系的形成演化,也为引力波探测提供目标源并帮助进一步深入理解引力的奥义。

但是,长期以来,科学家一直没有明确地“看”到双黑洞系统。“如果我们找不到双黑洞,说明我们对于星系形成的理解可能出问题了。”陆由俊说,这正是全球宇宙学家都在寻找双黑洞的原因之一。

被“吃掉”的短波

近年来,科学家已经在类星体中发现了少量双黑洞系统存在的证据,基本都是通过观察它们的宽发射线特征或周期性光变得到。不过,几乎没有确信无疑的观测证据表明双黑洞系统确实存在。

“如果某些类星体是双黑洞系统,那么,两个黑洞在相互旋转的过程中会与周围的气体盘发生相互作用,导致发出的光亮出现周期性变化。观测到的发射线也可能因双黑洞的相互绕转而呈现双峰结构。”陆由俊说。

但是,光亮度的变化,并不能作为双黑洞系统存在的确凿证据。北京大学天文学系教授刘富坤表示,活动星系的成分复杂,探测过程很可能受其他因素影响。而且,单一黑洞自转过程中喷流方向的进动也会产生周期性光变,与双黑洞系统产生的光变很难区分开来。

这一次,中国科学家采用了一种新方法。他们通过分析类星体的连续光谱数据,发现“在短波段上,双黑洞系统的亮度相较单黑洞系统会有明显的不同”。

“短波一般是从离黑洞较近的吸积盘内部区域发出。与单一黑洞相比,双黑洞相互运转时,吸积盘内部区域会被‘吃掉’。因此双黑洞系统的短波发射较单黑洞系统‘暗’得多。”陆由俊说。

研究团队发现,双黑洞系统的存在是解释这种差异的最合适理论。通过构建动力学模型与观测结果进行对比,研究团队发现,中心主黑洞的质量约为1.5亿个太阳质量,绕主黑洞旋转的次黑洞的质量则有400万个太阳质量。它们的轨道周期为1.2年。

曙光之下再探索

对最新的研究,科学家认为,尽管研究方法有所创新,但仍不能表明活动星系核中的双黑洞系统一定存在。

“这个研究确实采用的是一种新的方法,对于未来进一步寻找双黑洞很有意义。但任何科研成果,特别是刚出来的科研成果,还有待更多科学家用不同的方法来验证。”刘富坤在接受《中国科学报》记者采访时评价。

刘富坤告诉记者,1988年,芬兰科学家利用此前近100年的观测数据,在世界上首次发现了活动星系核双黑洞系统可能证据,“不过,时至今日仍没有确凿的证据表明它100%就是双黑洞系统”。

“2003年后,国际对双黑洞系统的研究呈现蓬勃发展的趋势。”刘富坤说,2003年,德国马普地外物理研究所科学家首次在一个星系里直接拍到了两个活动的黑洞的照片,“这表明一个星系里确实会出现两个黑洞”。

此后,国内外越来越多的年轻人加入了寻找确切的双黑洞系统的队伍,相关的研究论文数量也显著提升。

“在国内,双黑洞研究蓬勃起来的另一个原因是,国内主导及参与建设的500米口径球面射电望远镜(FAST)、平方公里阵列望远镜(SKA)、三十米望远镜(TMT)等望远镜项目,为寻找双黑洞提供了更多的可能性,我们需要尽快做一些前期的研究贮备。”刘富坤说。

刘富坤建议,未来可以尝试着将连续谱的方法与周期性光变等其他手段相互结合,进一步寻找确切的双黑洞系统。

《中国科学报》 (2015-9-14 第4版 综合)
 
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