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史上第二对超重双黑洞现身,证实 Z 型电波理论假设

史上第二对超重双黑洞现身,证实 Z 型电波理论假设

人类直到 2015 年才首次观测到双黑洞合併现象,且还只是恆星黑洞等级,可想而知,由两个超大质量黑洞组成的「超重双黑洞」更是难解之谜,天文学家至今也只确认了一对。直到最近,一份最新研究终于宣布找到第 2 对超重双黑洞,并进一步证实了一个理论假设:这些成双成对的黑洞应该存在于「Z 型」无线电波源(Z-shaped radio source)星系。

根据黑洞的质量大小,可将之分类为超大质量黑洞(SMBH)、中介质量黑洞(IMBH)、恆星黑洞(SBH)及微型黑洞(QMBH)。超大质量黑洞可在所有已知星系的中心发现蹤迹,质量为 105 ~109 倍太阳质量,但它们大部分都处于「不活跃」状态且吸积不多,起源更是依然未知。

许多年来,证明双黑洞系统(binary black hole,缩写 BBH,注 1)的存在已经非常困难,要进一步证明超重双黑洞系统(2 颗绕着共同重心旋转的超大质量黑洞)更是难上加难。雷射干涉重力波天文台(LIGO)在 2015 年 9 月检测「GW150914」(2016 年 2 月发表)时,那是人类史上第一次观测到双黑洞併合(但这是恆星双黑洞,非超重双黑洞),也证实了爱因斯坦的重力波理论。

目前已知在类星体「OJ 287」、双核星系「NGC 6240」或类星体「PG 1302-102」中可能有超重双黑洞系统的候选人存在,但天文学家过去只明确证实了唯一一对,它们位于距离地球约 7.5 亿光年的「0402+379」椭圆星系(也称为「4C +37.11」星系)中,研究人员花了 20 多年时间观察才确定了双超大质量黑洞的轨迹。

这对双生超大质量黑洞彼此紧密束缚、互相围绕,相隔仅 24 光年(或 7.3 秒差距,注 2),轨道週期 3 万年,两者的总质量高达太阳质量的 150 亿倍,一旦它们相撞(几百万年后),将产生目前宇宙已知的最强重力波源,因此在天文物理学被视为具高度重要性。

2015 年 8 月 28 日,NASA 倒是公布过中国中科院国家天文台团队使用哈伯太空望远镜观测西佛星系「Mrk 231」,利用该星系中心放射出的紫外线特性推断出该处有双黑洞系统存在,其中主黑洞质量约太阳的 1.5 亿倍,伴黑洞质量约太阳的 400 万倍,公转週期约 1.2 年。但他们的研究方法实际上产生许多争议,随后,该模型便被明确表示为「不可行」。

直到现在,第二对超重双黑洞系统终于证实找到,研究人员使用美国的超长基线阵列(注 3),在位于距离地球 4 亿光年的「NGC 7674」星系中心辨识出一对超重双黑洞,彼此相隔仅 1.1 光年,轨道週期约 10 万年,两者总质量约太阳质量的 3,600 万倍,不只比「0402+379」椭圆星系中的第一对超重双黑洞还更接近地球,2 个黑洞彼此之间距离也更靠近。

史上第二对超重双黑洞现身,证实 Z 型电波理论假设

「NGC 7674」星系。(source:欧洲太空总署)

这项观测还证实了一个理论假设,即这些成双的黑洞应该存在于「Z 型」无线电波源(Z-shaped radio source)星系,「NGC 7674」就是一个 Z 型无线电星系。论文合作作者、罗彻斯特理工学院物理学教授大卫‧梅里特(David Merritt)表示,Z 型是指在更大尺度上一个星系扭曲的无线电发射形态,会产生这种形态的星系被认为是由星系合併效应引起的,随后形成大量双黑洞。

研究由印度塔塔基础研究所国家无线电天体物理中心(NCRA)的 Preeti Kharb 领导,成果发表在《自然天文学》期刊。

注 1:双黑洞,是指由 2 颗绕着共同重心旋转的黑洞系统,通常分成恆星双黑洞(stellar binary black holes)和超重双黑洞(binary supermassive black holes)。注 2:秒差距(parsec),缩写 pc,是天文学上的一种长度单位,同时也是最古老、最标準的测量恆星距离的方法,通常用于测量邻近恆星之间的距离,1 pc 约等于 3.261 光年。维基百科定义,星系中央的 2 个超大质量黑洞自然距离大约落在一至数十个秒差距,这使 2 个黑洞形成一个紧密束缚的双黑洞系统。注 3:超长基线阵列(VLBA),由美国国家无线电天文台阵列操作中心遥控,是一组由 10 架无线电望远镜组成的阵列,也是全世界最大的天文超长基线干涉测量仪器。

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