茫茫宇宙，無(wú)數(shù)星系與黑洞穿梭，它們是自得其樂(lè)、相安無(wú)事，還是暗自較量、劍拔弩張?
近日，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在距離地球約8900萬(wàn)光年的寶瓶座NGC 7727星系中心，隱藏著一對(duì)即將并合的超大質(zhì)量黑洞。在華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華看來(lái)，這意味著，一場(chǎng)目前離地球最近的“宇宙車禍”在所難免，傷亡情況會(huì)如何，可能需要億萬(wàn)年時(shí)間守候觀測(cè)。
星系或都“藏匿”超大質(zhì)量黑洞
“同星系中兩顆恒星會(huì)發(fā)生并合一樣，星系團(tuán)中的星系發(fā)生‘碰撞’的概率也很高。”雷衛(wèi)華說(shuō)，兩個(gè)天體相互碰撞的概率與它們分布的密集程度有關(guān)，可以用兩個(gè)天體的平均距離與天體直徑的比值來(lái)反映，比值越大則越稀疏，發(fā)生碰撞概率越小。
雷衛(wèi)華介紹，對(duì)于太陽(yáng)系內(nèi)的行星而言，這個(gè)比值約為十萬(wàn)，銀河系中恒星的比值約為百萬(wàn)，而星系團(tuán)內(nèi)星系之間的平均距離大約僅是星系直徑的幾十倍，相對(duì)而言分布更為密集，相互碰撞的概率更高，這在宇宙中十分普遍。
科學(xué)觀測(cè)表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬(wàn)到百億太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。如觀測(cè)銀河系中心數(shù)十顆恒星的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)恒星動(dòng)力學(xué)方法測(cè)定銀心存在一顆約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。
針對(duì)星體來(lái)說(shuō)，只有超大質(zhì)量黑洞才能較高效率把吞噬物質(zhì)的引力能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛?，方可解釋這種極端天體。
“越來(lái)越多證據(jù)表明，可能每個(gè)星系中心都隱藏著一顆超大質(zhì)量黑洞。”雷衛(wèi)華表示，早在2017年，天文學(xué)家便利用視界望遠(yuǎn)鏡，首次拍攝到距離地球5600萬(wàn)光年的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞(約60億太陽(yáng)質(zhì)量)的陰影。
雷衛(wèi)華說(shuō)，更大的新星系伴隨星系“碰撞”產(chǎn)生，星系中心將形成間距1到100千秒差距(1秒差距約為3.26光年)的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。
目前，科學(xué)家們觀測(cè)這類超大質(zhì)量雙黑洞，主要有以下幾種直接或間接方式：通過(guò)高分辨率多波段觀測(cè)，或是雙黑洞軌道進(jìn)動(dòng)導(dǎo)致特性星系的形態(tài)，或是稍小黑洞穿過(guò)大黑洞吸積盤(pán)時(shí)所產(chǎn)生的準(zhǔn)周期性光變，或是雙黑洞產(chǎn)生的譜線雙峰結(jié)構(gòu)，或是雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等。
隨后，超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的演化分為三個(gè)階段。首先，雙黑洞各自與周圍物質(zhì)和恒星相互作用，逐漸靠近;其次，通過(guò)動(dòng)力學(xué)摩擦和拋射恒星等過(guò)程，雙黑洞距離進(jìn)一步減小，但隨著周圍恒星被逐漸拋射掉，雙黑洞靠近變得越來(lái)越困難，形成“最終秒差距問(wèn)題”，可以通過(guò)考慮星系并合形成非球?qū)ΨQ物質(zhì)分布等方式解決;最后，如果兩顆黑洞靠得非常近，其軌道演化將由引力波輻射主導(dǎo)，導(dǎo)致超大質(zhì)量雙黑洞快速演化直至最終發(fā)生并合。
超大質(zhì)量黑洞“掐架”常有發(fā)生
雷衛(wèi)華說(shuō)，這次發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量雙黑洞距離我們只有8900萬(wàn)光年，是目前為止已發(fā)現(xiàn)的、距離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。
在此之前，科學(xué)家探測(cè)到離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞位于4.7億光年之遙的星系NGC 6240，比NGC 7727遠(yuǎn)6倍左右。研究還發(fā)現(xiàn)，NGC 7727本身就是兩個(gè)小的漩渦星系在大約10億年前“碰撞”的結(jié)果。
雷衛(wèi)華認(rèn)為，NGC 7727離地球如此之近，為科學(xué)家們提供了研究超大質(zhì)量雙黑洞絕佳機(jī)會(huì)。
通過(guò)高分辨率光譜觀測(cè)，可以分辨出黑洞周圍的恒星動(dòng)力學(xué)信息?？茖W(xué)家們首次直接測(cè)出這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，分別為1.5億太陽(yáng)質(zhì)量和630萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量。同時(shí)，分辨出這兩個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞相距只有500秒差距(約1600光年)。
“這是首個(gè)用動(dòng)力學(xué)方法，確認(rèn)間距小于千秒差距的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。”雷衛(wèi)華說(shuō)。
間距如此之小，意味著NGC 7727中心超大質(zhì)量雙黑洞將會(huì)很快并合。雷衛(wèi)華介紹，這個(gè)“很快”是相對(duì)宇宙演化而言，實(shí)際上在2.5億年后，大概相當(dāng)于太陽(yáng)系繞銀河系一周再次回到現(xiàn)在位置所需時(shí)間，“我們肯定是無(wú)法見(jiàn)證這一壯觀的并合過(guò)程。”
事實(shí)上，科學(xué)家們不止一次發(fā)現(xiàn)即將并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及一些通過(guò)其它方式(多為利用雙黑洞導(dǎo)致的簡(jiǎn)接效應(yīng))發(fā)現(xiàn)的候選體，但因觀測(cè)的不確定性，這些源是否為超大質(zhì)量雙黑洞本身就存在較多爭(zhēng)議，且這些源都離地球太遠(yuǎn)，由此對(duì)雙黑洞間距、并合時(shí)間的估計(jì)更加不確定。
雷衛(wèi)華說(shuō)，這次科學(xué)發(fā)現(xiàn)極具吸引力，一旦最終確認(rèn)，具有重要科學(xué)意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞距離正好處于最終通過(guò)引力波輻射而損失軌道角動(dòng)量形成并合雙黑洞之前的階段，這個(gè)階段對(duì)研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)演化至關(guān)重要。其自身蘊(yùn)含著豐富的電磁輻射現(xiàn)象，可能出現(xiàn)如兩個(gè)明亮的X射線核或射電核、周期性光變、雙峰發(fā)射線等特征。
同時(shí)，該發(fā)現(xiàn)也強(qiáng)烈暗示，在本地宇宙中，存在很多類似這樣的超大質(zhì)量雙黑洞等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。研究這些系統(tǒng)，對(duì)我們了解未來(lái)銀河系與仙女座星系并合幫助很大。
銀河系“車禍”不會(huì)殃及地球
科學(xué)家們一致認(rèn)為，并合的結(jié)果是在星系中心誕生一個(gè)質(zhì)量更大的超大質(zhì)量黑洞，這是黑洞增長(zhǎng)形成超大質(zhì)量黑洞的主要途徑。
雷衛(wèi)華說(shuō)，與恒星級(jí)雙黑洞并合一樣，星系中心超大質(zhì)量雙黑洞并合也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的引力波輻射。2016年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)首次直接探測(cè)到恒星級(jí)質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件(GW150914)，開(kāi)啟了引力波天文學(xué)新紀(jì)元。
雷衛(wèi)華介紹，超大質(zhì)量雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波頻率為納赫茲到毫赫茲，不在地面引力波探測(cè)器激光干涉引力波天文臺(tái)的頻率探測(cè)范圍。對(duì)于百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞的并合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，這是未來(lái)空間低頻引力波探測(cè)器，如我國(guó)的天琴、太極和歐洲的LISA項(xiàng)目主要的探測(cè)對(duì)象。而幾億到幾十億太陽(yáng)質(zhì)量的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率在極低頻(納赫茲到微赫茲)，只能通過(guò)脈沖星計(jì)時(shí)陣列進(jìn)行探測(cè)。
“這種并合對(duì)整個(gè)星系而言，并無(wú)毀滅性影響。”雷衛(wèi)華肯定地說(shuō)，星系中恒星之間的距離，相對(duì)恒星大小來(lái)說(shuō)非常遙遠(yuǎn)，兩個(gè)星系中恒星相互碰撞的概率極低，因此這類并合不會(huì)導(dǎo)致大量恒星對(duì)撞的災(zāi)難場(chǎng)面。
他認(rèn)為，銀河系與同處本星系團(tuán)的仙女座星系并合尚且如此，距離8900萬(wàn)光年的NGC 7727更加不用擔(dān)心。并合除產(chǎn)生較強(qiáng)的低頻引力波輻射，及導(dǎo)致星系形態(tài)的變化之外，不會(huì)對(duì)地球構(gòu)成影響。
超大質(zhì)量雙黑洞在宇宙中存量大，很多產(chǎn)生的引力波太弱而無(wú)法分辨，這些信號(hào)疊加形成引力波背景噪聲?？茖W(xué)家們通過(guò)探測(cè)這些引力波背景，估算有多少超大質(zhì)量雙黑洞正在向地球輻射引力波。
目前，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到不少黑洞并合的“宇宙車禍現(xiàn)場(chǎng)”。這種并合是星系增長(zhǎng)的主要方式，研究表明，大質(zhì)量星系可能是次級(jí)星系多次并合的結(jié)果。并合也是星系形態(tài)形成的原因，碰撞過(guò)程中星系中氣體壓縮，觸發(fā)大量恒星快速形成，星暴星系由此形成。
同時(shí)，部分特殊形態(tài)的星系，如車輪星系可能是一個(gè)小星系垂直穿過(guò)一個(gè)大漩渦星系的結(jié)果。也有研究指出，約40億年后，銀河系將與同處于本星系群的仙女座星系(距離地球250萬(wàn)光年)發(fā)生碰撞，并合為一個(gè)星系。
雷衛(wèi)華認(rèn)為，即使那一天到來(lái)，也不用太擔(dān)心仙女座星系的恒星會(huì)撞擊太陽(yáng)或地球，相對(duì)恒星直徑而言，恒星的距離實(shí)在太遙遠(yuǎn)。
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