科學家發現了巨大的黑洞對寶藏

【博科園-科學科普】幾十年來天文學家已經知道超大質量黑洞(SMBHs)位於大多數大星系的中心。這些黑洞的範圍從數十萬到數十億的太陽質量，對周圍的物質產生強大的影響，被認為是活躍星系核(AGN)的原因。只要天文學家解了它們，就能試圖了解超大質量黑洞（SMBHs）是如何形成和演變的。

雙黑洞合併的概念圖，圖片版權：LIGO/A. Simonnet.

在最近發表的兩份研究報告中，兩個國際研究小組報告了在遙遠星系中心5個新發現的黑洞對。這一發現可以幫助天文學家對超大質量黑洞的形成和成長過程提供新的線索，而不用提黑洞的合併是如何產生宇宙中最強的引力波的。

前4個雙黑洞候選體在一項名為「高級合併AGNs中紅外彩色選擇作為雙重AGN發現者」的研究中，由喬治梅森大學天體物理學教授Shobita Satyapal領導。這項研究在《天體物理學雜誌》上發表。

光學和x射線數據在兩個新黑洞對中的發現。圖片版權：NASA/CXC/Univ. of Victoria/S.Ellison et al./George Mason Univ./S.Satyapal et al./SDSS

第二項研究報告了第五對雙黑洞的候選，由維多利亞大學天體物理學教授Sarah Ellison領導。最近發表在《皇家天文學會月報》上，標題是「發現雙活動星系核與~ 8 kpc分離」。這五對黑洞的發現是非常偶然的，因為它們是一個非常罕見的發現。

天文學家在宇宙中發現了一個巨大的黑洞。但即使我們預測它們在相互作用（合併）的過程中會迅速增長，但不斷增長的雙超大質量黑洞是很難找到的。

黑洞對是通過合併不同地面和太空儀器的數據發現的。這包括來自斯隆數字天空測量(SDSS)和位於亞利桑那州的地面大型雙目望遠鏡(LBT)的光學數據，以及來自NASA錢德拉x射線天文台的廣域紅外探測器(WISE)和x射線數據的近紅外數據。

為了他們的研究Satyapal,Ellison和他們各自的團隊試圖探測雙星系核，這被認為是星系合併的結果。從SDSS的光學數據開始以確定似乎正在合併的星系。來自「全天空智慧」調查的數據隨後被用來識別那些顯示出最強大星系核的星系。

一對雙黑洞例子，圖片版：NASA/CXC/A.Hobart

錢德拉先進的CCD成像光譜儀(ACIS)和LBT(LBT)的數據以確定7個似乎處於領先的合併階段的星系。埃里森領導的這項研究還依賴於在Apache Point Observatory(MaNGA)測量附近的星系所提供的光學數據，以確定新的黑洞對之一。

從組合數據中發現在7個合併星系中有5個星系承載著可能存在的雙星系核，它們之間的距離小於10千帕秒(超過3萬光年)。這是由WISE提供的紅外數據所證明，這與快速增長的超大質量黑洞的預測一致。

此外錢德拉數據還顯示出了與黑洞分離的x射線源，這也與黑洞的形成相一致。這種紅外線和x射線數據還表明，超大質量黑洞被大量的塵埃和氣體掩埋。這些發現是由對多個波長的數據進行排序的艱苦工作的結果：將紅外與x射線跟蹤結合起來是找到這些黑洞對的一種非常有效的方法。」x射線和紅外輻射能夠穿透這些黑洞對周圍的氣體和塵埃的模糊雲，而錢德拉的銳利的視力需要將它們分開。

合併過程中雙黑洞系統的概念圖，圖片版權：Bohn et al.

在這項研究之前根據x光研究證實了不到10對生長的黑洞，而這些都是偶然的。這項最新的研究發現了五個使用組合數據的黑洞對，因此很幸運也很重要。除了支持超大質量黑洞由小黑洞合併形成的假設外，這些研究還對引力波研究有重大影響。

很重要的一點是要了解超大質量的黑洞是如何形成的，這有助於預測引力波天文台的信號。隨著實驗的到位，這是研究合併黑洞的令人興奮的時刻。人類也正處於探索宇宙的新時代的早期階段。

自2016年以來激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座天文台等儀器探測到了四次引力波。然而這些探測是黑洞合併的結果。

另一方面超大質量黑洞的質量要大得多，而且可能會產生一個更大的引力波信號，因為它們會繼續靠近。在幾億年後當這些配對（雙黑洞）最終合併時，質量被轉化成引力波所產生的能量是不可思議的。

兩個黑洞合併的概念圖，類似於LIGO在2017年1月4日發現的。圖片版：LIGO/Caltech

目前像LIGO和處女座這樣的探測器無法探測到超大質量黑洞對產生的引力波。這項工作是由像北美納米赫茲天文台這樣的陣列來完成的，它依靠高精度的毫秒脈衝星來測量引力波對時空的影響。

激光干涉儀空間天線(LISA)將是第一個專用的基於空間的引力波探測器，也有望在搜索中提供幫助。與此同時引力波研究已經從先進的LIGO和先進的處女座之間的協同努力中受益匪淺。

在未來科學家們還預計將能夠通過引力波研究來研究超新星內部。這很可能揭示了黑洞形成背後的機制。在所有這些正在進行的努力和未來的發展之間，我們可以期待「聽到」更多宇宙的聲音以及其中最強大的力量！

參考：Chandra Harvard, arXiv, MNRAS

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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