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北大天文学系刘富坤教授等首次发现隐匿超大质量双黑洞
日期: 2014-04-23  信息来源: 物理学院

2014年4月22日,欧洲航空航天局(ESA)(http://sci.esa.int/home)发布新闻,报道北京大学物理学院天文学系刘富坤教授及其合作者近日发现的一对互相绕转的超大质量双黑洞。这是首次在普通星系中发现超大质量双黑洞。这对隐匿的双黑洞之所以能够被发现是因为它们最近潮汐撕裂了一颗恒星,而欧空局的XMM-Newton X-射线卫星当时恰巧正对准它们所在的方向进行观测而目睹了这一事件。这次发现验证了刘富坤教授等学者于2009年提出的关于双黑洞的一个理论预言,同时也开启了天文研究的一个新领域。

天文学家们相信,几乎所有大质量星系中心都寄住着至少一个超大质量黑洞,而存在两个超大质量黑洞则是该星系曾与另外一个星系发生并合的铁证。因此,发现超大质量双黑洞能明确告诉天文学家星系是如何演化到它们目前的大小和形态的。

在此之前,天文学家们已发现了几对超大质量双黑洞,但这些已发现的双黑洞都位于一类特殊的、活动的星系中。在这些活动的星系中,黑洞持续不断地从星系中吸积气体云团,同时加热这些被吸积的气体到极高温度,然后在包括X-射线在内的众多波长上发出强烈的光芒,使得这些星系具有一个明亮的、活跃的中心,因而被天文学家们称为“活动的星系核”。这次刘富坤教授及其合作者的新发现的重要性在于,它是首例发现于不活动的普通星系中的超大质量双黑洞。而宇宙中绝大多数星系都是不活动的普通星系。

大爆炸宇宙学星系形成和演化理论预言,所有大质量星系中心都曾经寄住过或正寄住着超大质量双黑洞。然而,要发现它们则是一项极端困难和挑战的任务,因为顾名思义,黑洞本身是不发光的,而静宁星系中心又没有气体云团块供黑洞吸积和加热,因而这些星系中心的黑洞几乎总是处于彻底的黑暗之中。

天文学家们所能寄予的唯一希望就是当其中的一个黑洞开始工作——将一颗偶尔飞临的恒星撕裂成碎片时,恰巧对准该方向进行观测。这样的现象被天文学家们称为“恒星潮汐撕裂事件”。伴随着恒星被黑洞潮汐引力撕裂,它会产生强烈而短暂的X-射线闪耀。

2010年6月10日,XMM-Newton X-射线卫星捕捉到一例来自大熊座星系SDSS J120136.02+300305.5的恒星潮汐撕裂事件。随后启动的XMM-Newton X-射线卫星和美国国家航空航天局(NASA)的Swift卫星的跟踪观测表明,它起初看起来完全就是一例由单个超大质量黑洞引起的典型恒星潮汐撕裂事件。但随着对该缓慢衰落的X-射线闪耀进行一天又一天的追踪监测,奇怪的事情突然发生了!在距该恒星潮汐撕裂事件被发现之后的第27天到第48天之间,其X-射线辐射瞬间暴跌至卫星的探测极限之下——从X-射线卫星的视野中彻底消失了,然后它突然重新出现并遵循着暴跌之前的初始规律缓慢衰落,就好像什么也不曾发生过一样。

刘富坤指出,这一奇怪行为和人们所预期的发生在超大质量双黑洞中的恒星潮汐撕裂事件的特征完全一样。

图 1、星系中心互相绕转的超大质量双黑洞恒星潮汐撕裂事件艺术想象图。主黑洞将一颗恒星撕碎裂成细长气体流,该气体流在流向黑洞形成围绕黑洞旋转的吸积盘时被高温加热产生强烈X-射线辐射。当次黑洞绕转到气体流附近(但不穿过)时,产生的破坏性引力扰动作用使气体流中部分气体流飞离,留下一段空隙。X-射线出现突然下跌直至黑暗现象对应空隙到达主黑洞时刻。(绘图:ESA -C. Carreau)

刘富坤及其领导的研究团队长期以来一直致力于对双黑洞系统恒星潮汐撕裂事件的理论研究。在发表于2009年的理论工作(文献1)中他们预言,当双黑洞潮汐撕裂恒星时,由于次黑洞对流向“工作”黑洞的气体流产生破坏性引力扰动而暂时性地剥夺气体流,使其暂停向X-射线闪耀提供燃料,于是X-射线辐射出现断裂式下跌直至黑暗,然后恢复现象(如图1所示)。在即将发表于2014年5月10日出版的第786卷美国《天体物理学》杂志上的论文(文献2)中,刘富坤教授与国家天文台李硕博士、德国马克思-普朗克学会射电天文研究所斯蒂芬妮·科摩萨(Stefanie Komossa)博士合作,通过数值模拟和严格理论分析论证发现,星系SDSS J120136中存在着一对隐匿的超大质量双黑洞。他们发现,有两套双黑洞系统情形可完美重构SDSS J120136的观测结果(如图2所示)。

图2、双黑洞(情形一)对星系SDSS J120136.02+300305.5潮汐撕裂恒星事件x-射线光变曲线的完整重构(红实线)。图中菱形符号为XMM-Newton卫星及Swift卫星的观测值及误差,向下箭头代表X-射线源亮度低于卫星的探测极限时得到的流量上限,实际亮度低于该值。黑色虚线为单黑洞中恒星潮汐撕裂事件的典型光变曲线。(取自文献2)

在第一种情形中,一个具有一千万倍太阳质量的主黑洞和一个具有一百万倍太阳质量的次黑洞在椭圆轨道上相互绕转;在第二种情形中,主黑洞质量是太阳质量的一百万倍,而在圆轨道上绕转的次黑洞质量则只有十万倍的太阳质量。在两种情形下,黑洞之间的距离都相当的小:仅千分之零点六秒差距,或大约千分之二光年,这大致相当于太阳系的宽度。在这样密近的距离上,这对双黑洞的命运已经注定:引力波辐射将带走它们的轨道能量,两个黑洞螺旋式地慢慢互相靠近,在大约二百万年后并合成一个新的黑洞。

刘富坤等对普通星系中第一例隐匿超大质量双黑洞的成功发现,将不可避免地促使国际天文学家开始搜索更多的隐匿在普通星系中心的超大质量双黑洞,同时也将刺激那些正在或计划对恒星潮汐撕裂事件开展全天巡天的空间X-射线卫星——如欧空局的eROSITA、中国即将发射升空的SVOM和未来的EP等,以及包含下一代地面最重要望远镜LSST在内的等众多探测器将修订研究计划而将其纳入为主要的搜寻对象。这些望远镜将探测到数千至上万的恒星潮汐撕裂事件。有了这些探测结果,利用刘富坤等提出的方法和理论,天文学家们就可以提取出关于星系并合率、超大质量黑洞起源以及在宇宙中演化历史的可靠统计数据。

刘富坤等的工作还让天文学家们可以有更多的期待。当双黑洞并合时,预计将以引力波的形式向宇宙空间爆发性释放巨大的能量。超大质量双黑洞的并合将是宇宙中最强的引力波辐射源。引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空涟漪。目前世界各地的天文学家们正建造一种新类型的天文观测台来探测这些涟漪。其中,欧空局下一代大科学任务“宇宙远景计划”之一——L3任务“激光干涉仪空间天线(LISA)”的科学主题就是搜索和探测超大质量双黑洞并合发出的以往难以被发现的引力波。而欧空局计划于2015年发射升空的“LISA探路者”号将检验和测试建造该空间引力波探测器所必需的关键技术。

鉴于隐匿超大质量双黑洞的发现将开创一个天文学新领域,以及XMM-Newton卫星在其中所作的贡献,欧空局于2014年4月22日通过其新闻网首家向全世界报道了这一重大发现。在该新闻的最后,欧空局XMM-Newton空间望远镜项目科学家诺伯特·斯卡特尔(Norbert Schartel)教授总结说:“XMM-Newton摆动式观测的创新性使用使得发现这对超大质量双黑洞成为可能。这一发现证明了持久运转的空间天文台在探测这类能开启天文学新领域的稀少事件中所能扮演的重要角色。”这也是对这次发现重要性的一个中肯评价。

本文介绍的研究成果得到了国家自然科学基金的支持。

相关链接:

欧洲航空航天局新闻网报道 

《中国科学报》头版报道

背景材料:

文献1、“Interruption of Tidal-Disruption Flares by Supermassive Black Hole Binaries”,by F.K. Liu, S. Li, X. Chen, The Astrophysical Journal Letters, Vol.706 (2009), L133-L137

文献2、“A milli-parsec supermassive black hole binary candidate in the galaxy SDSS J120136.02+300305.5”, by F.K. Liu, S. Li, S. Komossa, The Astrophysical Journal, Vol.786 (2014), 103 (arXiv:1404.4933)

 

编辑:安宁


   
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