中美科學家合作發現超大質量“雙黑洞”

據《北京青年報》報道，近日，中美兩國天文學家合作發現，在最近的類星體Markarian 231中隱藏着超大質量雙黑洞，此番首次用“連續譜”的特徵方法發現的證據確鑿的雙黑洞，為人類在宇宙中尋找雙黑洞系統指出了新方向。該項研究成果已發表在國際期刊《天體物理雜誌》上。

觀測表明絕大多數星系中心都存在超大質量黑洞。在標準冷暗物質宇宙模型中，大質量星系是由小質量星系合併形成的，星系合併就不可避免地產生超大質量雙黑洞。同時，富含氣體的星系合併會導致氣體向中心流入觸發核活動性並形成類星體。因此，理論預期在相當多的類星體中存在超大質量雙黑洞。然而觀測上有關超大質量雙黑洞存在的證據仍很模糊、稀少。尋找、證認雙黑洞對理解類星體和星系的形成演化以及進一步研究引力波和基本引力理論具有重要意義。

超大質量雙黑洞想象圖

哈勃太空望遠鏡拍攝的Markarian 231

由國家天文台陸由俊和閆昌碩、美國俄克拉荷馬大學戴新宇、北京大學科維理天文與天體物理研究所於清娟組成的研究團隊分析了最近的類星體Markarian 231的連續譜。根據哈勃望遠鏡對 Markarian 231核心紫外輻射的觀測和凱克等望遠鏡的光學觀測數據，他們發現Markarian 231“極端並且令人驚奇的性質”可以很好地用超大質量雙黑洞的吸積來解釋。

Markarian 231的光學紫外輻射譜示意圖

如果只有一個黑洞位於類星體中心，那麼整個吸積盤周圍都會彌散着紫外線輻射，一旦有第二個黑洞出現，紫外線輻射就會出現變化。根據動態模型評估，科學家模擬2個黑洞存在的類星體，發現這種情況符合在Markarian 231星系觀測到的紫外線輻射，因此推出類星體背後的雙重黑洞。

超大質量雙黑洞示意模型（繪圖：閆昌碩）

中心主黑洞的質量約為1.5億個太陽質量，而在圈洞內繞主黑洞旋轉的次黑洞的質量則有4百萬個太陽質量。次黑洞攜帶有一小吸積盤併發射紫外輻射。它們的軌道週期為1.2年。雙黑洞的共同旋繞會發射引力波、損失能量，並最終在幾十萬年後碰撞。

低質量的次黑洞是和Markarian 231併合的星系的遺蹟。寄主星系的不對稱性以及年輕的藍色恆星的長長的潮汐尾，都表明它們近期經歷過併合。併合的結果使得 Markarian 231成為一個恆星形成率為銀河系100倍的活躍星爆星系。落入中心的氣體為黑洞“引擎”提供燃料，觸發外流和氣體湍流並進一步激發恆星誕生的大爆發。

這項發現不僅揭示了Markarian 231中存在密近超大質量雙黑洞，它還表明很多類星體——由星系併合觸發的活動星系的明亮核心中都有可能存在相互繞轉的雙黑洞。該項研究為通過類星體的光學或紫外輻射缺失來系統搜尋這些超大質量雙黑洞提供了樣板。

觀察者網綜合參考消息、北京青年報、國家天文台報道。