作者:吴纯新 王潇潇 来源:科技日报 发布时间:2021/12/13 16:04:57
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“宇宙车祸”经常发生!黑洞“掐架”会不会伤及星系?

 

茫茫宇宙,无数星系与黑洞穿梭,它们是自得其乐、相安无事,还是暗自较量、剑拔弩张?

近日,有科学家发现,在距离地球约8900万光年的宝瓶座NGC 7727星系中心,隐藏着一对即将并合的超大质量黑洞。在华中科技大学物理学院教授雷卫华看来,这意味着,一场目前离地球最近的“宇宙车祸”在所难免,伤亡情况会如何,可能需要亿万年时间守候观测。

星系或都“藏匿”超大质量黑洞

“同星系中两颗恒星会发生并合一样,星系团中的星系发生‘碰撞’的概率也很高。”雷卫华说,两个天体相互碰撞的概率与它们分布的密集程度有关,可以用两个天体的平均距离与天体直径的比值来反映,比值越大则越稀疏,发生碰撞概率越小。

雷卫华介绍,对于太阳系内的行星而言,这个比值约为十万,银河系中恒星的比值约为百万,而星系团内星系之间的平均距离大约仅是星系直径的几十倍,相对而言分布更为密集,相互碰撞的概率更高,这在宇宙中十分普遍。

科学观测表明,很多星系中心都“藏匿”有百万到百亿太阳质量的超大质量黑洞。如观测银河系中心数十颗恒星的运动,通过恒星动力学方法测定银心存在一颗约400万个太阳质量的黑洞。

针对星体来说,只有超大质量黑洞才能较高效率把吞噬物质的引力能转变为辐射,方可解释这种极端天体。

“越来越多证据表明,可能每个星系中心都隐藏着一颗超大质量黑洞。”雷卫华表示,早在2017年,天文学家便利用视界望远镜,首次拍摄到距离地球5600万光年的M87星系中心超大质量黑洞(约60亿太阳质量)的阴影。

雷卫华说,更大的新星系伴随星系“碰撞”产生,星系中心将形成间距1到100千秒差距(1秒差距约为3.26光年)的超大质量双黑洞系统。

目前,科学家们观测这类超大质量双黑洞,主要有以下几种直接或间接方式:通过高分辨率多波段观测,或是双黑洞轨道进动导致特性星系的形态,或是稍小黑洞穿过大黑洞吸积盘时所产生的准周期性光变,或是双黑洞产生的谱线双峰结构,或是双黑洞潮汐瓦解形成的间歇性光变等。

随后,超大质量双黑洞系统的演化分为三个阶段。首先,双黑洞各自与周围物质和恒星相互作用,逐渐靠近;其次,通过动力学摩擦和抛射恒星等过程,双黑洞距离进一步减小,但随着周围恒星被逐渐抛射掉,双黑洞靠近变得越来越困难,形成“最终秒差距问题”,可以通过考虑星系并合形成非球对称物质分布等方式解决;最后,如果两颗黑洞靠得非常近,其轨道演化将由引力波辐射主导,导致超大质量双黑洞快速演化直至最终发生并合。

超大质量黑洞“掐架”常有发生

雷卫华说,这次发现的超大质量双黑洞距离我们只有8900万光年,是目前为止已发现的、距离地球最近的超大质量双黑洞系统。

在此之前,科学家探测到离地球最近的超大质量双黑洞位于4.7亿光年之遥的星系NGC 6240,比NGC 7727远6倍左右。研究还发现,NGC 7727本身就是两个小的漩涡星系在大约10亿年前“碰撞”的结果。

雷卫华认为,NGC 7727离地球如此之近,为科学家们提供了研究超大质量双黑洞绝佳机会。

通过高分辨率光谱观测,可以分辨出黑洞周围的恒星动力学信息。科学家们首次直接测出这两个超大质量黑洞的质量,分别为1.5亿太阳质量和630万太阳质量。同时,分辨出这两个超大质量双黑洞相距只有500秒差距(约1600光年)。

“这是首个用动力学方法,确认间距小于千秒差距的超大质量双黑洞系统。”雷卫华说。

间距如此之小,意味着NGC 7727中心超大质量双黑洞将会很快并合。雷卫华介绍,这个“很快”是相对宇宙演化而言,实际上在2.5亿年后,大概相当于太阳系绕银河系一周再次回到现在位置所需时间,“我们肯定是无法见证这一壮观的并合过程。”

事实上,科学家们不止一次发现即将并合的超大质量双黑洞系统,以及一些通过其它方式(多为利用双黑洞导致的简接效应)发现的候选体,但因观测的不确定性,这些源是否为超大质量双黑洞本身就存在较多争议,且这些源都离地球太远,由此对双黑洞间距、并合时间的估计更加不确定。

雷卫华说,这次科学发现极具吸引力,一旦最终确认,具有重要科学意义。NGC 7727距离地球很近,且双黑洞距离正好处于最终通过引力波辐射而损失轨道角动量形成并合双黑洞之前的阶段,这个阶段对研究超大质量双黑洞系统演化至关重要。其自身蕴含着丰富的电磁辐射现象,可能出现如两个明亮的X射线核或射电核、周期性光变、双峰发射线等特征。

同时,该发现也强烈暗示,在本地宇宙中,存在很多类似这样的超大质量双黑洞等待我们去发现。研究这些系统,对我们了解未来银河系与仙女座星系并合帮助很大。

银河系“车祸”不会殃及地球

科学家们一致认为,并合的结果是在星系中心诞生一个质量更大的超大质量黑洞,这是黑洞增长形成超大质量黑洞的主要途径。

雷卫华说,与恒星级双黑洞并合一样,星系中心超大质量双黑洞并合也会产生很强的引力波辐射。2016年,美国激光干涉引力波天文台首次直接探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波事件(GW150914),开启了引力波天文学新纪元

雷卫华介绍,超大质量双黑洞并合所产生的引力波频率为纳赫兹到毫赫兹,不在地面引力波探测器激光干涉引力波天文台的频率探测范围。对于百万太阳质量的超大质量双黑洞的并合事件,其辐射的引力波频率在毫赫兹频段,这是未来空间低频引力波探测器,如我国的天琴、太极和欧洲的LISA项目主要的探测对象。而几亿到几十亿太阳质量的双黑洞并合产生的引力波频率在极低频(纳赫兹到微赫兹),只能通过脉冲星计时阵列进行探测。

“这种并合对整个星系而言,并无毁灭性影响。”雷卫华肯定地说,星系中恒星之间的距离,相对恒星大小来说非常遥远,两个星系中恒星相互碰撞的概率极低,因此这类并合不会导致大量恒星对撞的灾难场面。

他认为,银河系与同处本星系团的仙女座星系并合尚且如此,距离8900万光年的NGC 7727更加不用担心。并合除产生较强的低频引力波辐射,及导致星系形态的变化之外,不会对地球构成影响。

超大质量双黑洞在宇宙中存量大,很多产生的引力波太弱而无法分辨,这些信号叠加形成引力波背景噪声。科学家们通过探测这些引力波背景,估算有多少超大质量双黑洞正在向地球辐射引力波。

目前,天文学家已经观测到不少黑洞并合的“宇宙车祸现场”。这种并合是星系增长的主要方式,研究表明,大质量星系可能是次级星系多次并合的结果。并合也是星系形态形成的原因,碰撞过程中星系中气体压缩,触发大量恒星快速形成,星暴星系由此形成。

同时,部分特殊形态的星系,如车轮星系可能是一个小星系垂直穿过一个大漩涡星系的结果。也有研究指出,约40亿年后,银河系将与同处于本星系群的仙女座星系(距离地球250万光年)发生碰撞,并合为一个星系。

雷卫华认为,即使那一天到来,也不用太担心仙女座星系的恒星会撞击太阳或地球,相对恒星直径而言,恒星的距离实在太遥远。

 
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