萍漂天涯525 / 待分类 / 超大质量双黑洞:引力的终极之舞—写在广...

分享

   

超大质量双黑洞:引力的终极之舞—写在广义相对论一百周年

2015-10-14  萍漂天涯5...

陆由俊 (国家天文台研究员)


双黑洞是由两个相互绕转的黑洞构成的一类特殊天体系统,是当前天体物理领域中最热门的系统之一,它们关乎我们对宇宙星系结构形成的理解、对广义相对论和引力物理的终极检验。本文旨在介绍双黑洞系统及其研究现状和展望。在介绍双黑洞之前,我们首先来介绍什么是黑洞以及其相关的物理现象。


单黑洞:


一百年前,爱因斯坦提出了广义相对论和场方程来描述引力和宇宙。在第一次世界大战的一条战壕内,卡尔.史瓦西灵光闪现给出了爱因斯坦场方程的真空解,也即不转动黑洞的时空几何度规。战壕外隆隆的枪炮声似乎是在迎接现代意义上的黑洞这一神奇概念和理论的诞生。随后经过钱德拉塞卡、奥本海默、霍金、克尔和惠勒等大师超过半个世纪的逐步发展和完善,黑洞已经成为一个成熟的完整理论体系。

今天,众所周知,黑洞是宇宙中最简单最优美的天体。天体物理黑洞的完整描述只需要两个量,即质量和自旋(黑洞无毛定律)。黑洞的超强引力使得一切物体甚至光线都不能逃出其视界(一个太阳大小的不转动黑洞的视界只有约3公里,一亿个太阳质量大小的黑洞的视界则只有日地距离的一至两倍)。致命的引力使得它们成为宇宙中气体和恒星的坟冢,一切过于靠近它们的物体都将被撕裂吞噬。它们暗黑无边,看似难以发现,但在吞噬气体和恒星的过程中它们又成为宇宙中最为明亮的天体,即类星体或活动星系核。它们的视界代表着时空的边缘,在遥远的观测者看来空间可能在这里终止、时间可能在这里被冻结。黑洞的这些奇妙性质使得它们不仅成为最基础科学研究的前沿热点,而且也是媒体的常客、公众时不时的焦点、科幻小说和影视的宠儿。

黑洞如此致密,相对尺度如此之小,以至于目前只有少数具有极高分辨率、极高灵敏度的大型望远镜,比如哈勃空间望远镜,才可以观测黑洞近邻区域的星体或气体物质的运动,从而通过动力学特征发现它们的存在。黑洞存在的一个最好的例子就是我们银河系中心的超大质量黑洞。对银心处一些恒星的开普勒运动的长期监测给银心处存在一个约四百万太阳质量黑洞的提供了有力的证据[1,2](见图一;电影《星际穿越》中卡冈图雅的原形)。天文学家通过近几十年的努力发现几乎每一个星系的中心都存在至少一个超大质量黑洞,其质量范围约为百万至百亿个太阳质量。超大质量黑洞的质量大约是它们宿主星系或星系核球质量的千分之一到千分之五左右[3]。超大质量黑洞与星系间的紧密相关性预示它们是共同演化的。



图一:银河中心超大质量黑洞和其周围恒星的轨道运动。(Credit: Andrea Ghez)


宇宙中存在超过数以亿计的超大质量黑洞,它们大多蛰伏在正常星系的核心处于宁静状态,而有一些则通过猛烈吞噬周围的气体物质活跃起来成为类星体或活动星系核。在这些狂暴的类星体或活动星系中,黑洞如同星系帝国的皇者通过它们的暴怒掀起的狂风传达至帝国最偏远的边疆、驱赶星系中多余的气体、控制恒星的形成从而控制帝国的活动和疆域(示意见图二)。因而超大质量黑洞也是星系结构形成中无法回避的力量和存在。



图二:类星体活动造成的外流和风艺术想象图。(Credit: ESO/L. Cal?ada)



超大质量双黑洞:


宇宙中星系的碰撞和合并是一个普遍存在的现象。当前的冷暗物质宇宙结构和星系形成的标准模型也预言那些巨大的星系是由小星系不断合并而成。在此图景下,两个星系的合并如同一场星系尺度的战争:首先是两个星系中的恒星通过相互间暴虐的冲杀弛豫而交换能量以达到新的平衡形成一个新的星系;两个星系中心的皇者则也因受恒星和气体的动力学摩擦损失能量和角动量相互靠近落入新星系的中心形成双黑洞(相互间距离在光年左右或以下)[4,5];两个星系中的气体也可能相互碰撞损失能量落入新星系的中心,为中心的皇者提供燃料、触发它们的愤怒产生大量的光、热和风以控制新星系的成长。

双黑洞可以通过引力弹弓效应踢开飞经它们附近的恒星或与沉入中心的气体或气体盘粘滞作用等损失能量进一步相互靠近。当双黑洞的距离足够近,两个皇者的相互绕转和争斗纠缠导致强大的引力波辐射损失能量,它们快速靠近并最终融合为一个更大的黑洞永不分开。此时此地没有光、没有热,而是直接挤压和拉伸坚硬时空骨架的引力波,传向宇宙的每一个角落(见图三)。它最终嘎然而止,没有绕梁余音,只有无边的黑暗和沉寂。



图三:双黑洞并合造成的引力波辐射及时空畸变。(Credit: NASA / C. Henze)


宇宙中频繁的星系碰撞和并合预示着双黑洞广泛存在于星系中心。自从上世纪八十年代人们就开始努力搜寻超大质量双黑洞。已经有一些明确证据表明同一个星系中存在两个黑洞,如NGC6240中的两个硬 X射线发射源[6](见图四),但它们的距离较远(几千光年左右或以上)还未形成相互绕转的双黑洞。然而相互绕转的双黑洞则如“潜龙在渊”难得一见。过去的几十年中,天文学家通过各种方法寻找双黑洞,试图一睹它们的神秘真容,但是除了发现一些候选体外还难以真正证实任何一个双黑洞系统,至今仍未“见龙在田”。


图四:NGC6240中的一对黑洞及其硬X射线辐射 [6]。


双黑洞的搜寻证认和展望:


类星体和活动星系核中心黑洞吸积产生强大紫外光,会电离围绕黑洞旋转的气体团块辐射出诸如莱曼阿尔法等发射线光子。由于气体团块围绕黑洞运动造成的多普勒效应,这些发射线光子因气体团块的开普勒运动造成的多普勒效应能量发生变化,从而不同团块发射光子叠加起来形成可观测的宽发射线特征。若双黑洞中的每一个均携带有宽发射线气体团块并随黑洞相互绕转,则观测到的宽线应该是双峰或非对称的,且峰的位置或发射线轮廓随时间作周期性变化。早在上世纪八十年代,某些类星体的双峰宽线就被认为是由双黑洞造成的[7]。天文学家也据此陆续找到了一些双黑洞的候选体[8],但其中一些已被后续观测证伪[9]。看起来很多双峰宽发射线都能用其它(而非双黑洞)模型更好地解释。当然,更进一步的证认还在进行中。

在双黑洞系统中,双黑洞的相互绕转会对其周围的气体吸积盘施加一个力矩,从而导致落入两个黑洞的气体的多少随时间发生周期性变化(该结构见图示五);一个黑洞对绕另一黑洞的气体吸积盘的周期性穿越也会导致该黑洞吸积物质的变化;又或者一个黑洞吸积盘系统绕另一个黑洞旋转的多普勒放大效应会造成光变。这些变化反映在观测上就是含双黑洞的类星体或活动星系核存在周期性光变。活动星系核OJ 287就具有12年的周期性光变,它被认为是由质量分别为2百亿和1亿个太阳质量的双黑洞导致[10]。最近天文学家又发现类星体PG 1302-102具有一个5年的周期性光变[11],这被认为是由一上亿个太阳质量的黑洞及其吸积盘绕转一超过10亿个太阳质量黑洞的多普勒放大效应导致[12]。但是这些候选体是否一定是双黑洞仍有待更多观测和模型检验。

若一类星体中存在双黑洞,其中较小的黑洞会围绕较大的黑洞快速转动并扫除掉其近邻区域吸积盘上的气体,从而在吸积盘内区挖出一个圈洞结构,同时两个黑洞还争食气体原料并拥有了属于各自的小吸积盘(见图五)。相对于单黑洞系统,双黑洞系统中被第二个黑洞挖出的圈洞状结构对应的这部分辐射(如光学或紫外辐射)就缺失了。反映在光谱上就是在光学或紫外端比那些单黑洞系统多了一个“坑”。最近的研究发现类星体Mrk 231的连续谱辐射具有这种明显的特征,很难为其它模型解释,因此很可能是一个双黑洞吸积系统[13]。当然,Mrk 231也可能有光变。结合未来的光变或其它反映运动学的观测,将可进一步确证其中双黑洞的存在。


图五、超大质量双黑洞吸积系统艺术想像图。(取自NASA,ESA,and G. Bacon)


人们期待未来的和正在进行的大规模光变观测巡天能找到越来越多的周期光变类星体,为双黑洞研究提供更多的候选系统。在已知的数十万类星体中,也有理由相信有相当一些具有类似于Mrk 231的多波段连续谱。对周期性光变和类Mrk 231连续谱类星体的搜寻将会极大地推动双黑洞的研究,并使得对双黑洞轨道演化的统计研究成为可能。

以上谈到的都是在类星体和活动星系核中搜寻双黑洞。在宁静星系中也可能存在很多双黑洞[4,5],它们或许可以用直接成像或观测其周围恒星的运动来探知。但目前的望远镜都还不足以做到这点。不过如果一个恒星过于靠近黑洞(或双黑洞),它将不幸地被黑洞的潮汐力撕裂并吞噬掉,在短期内(~1-10年)发出大量的光并随时间按一定的规律演化衰减,而遥远的观测者则可幸运地借此一窥黑洞的真容。双黑洞的潮汐瓦解恒星现象的演化规律与单黑洞可能会有所区别,这种差异也被用来寻找双黑洞并发现了一个候选体[14]。当然这也需要进一步的证实。但潮汐瓦解现象的快速变暗并归于沉寂使得后期的跟踪研究变得相对困难。

毫无疑问的是,对双黑洞最直接的证认是测得它们在并合最后阶段的引力波辐射。然而“大音希声、大象无形”,广义相对论预言的引力波至今还没有被直接探测到。计划建造的eLISA[15]空间引力波天文台由置放在一个边长为百万公里的三角形三个顶点上的三个探测器构成,它们绕太阳公转并通过激光相互联系,探测引力波传过时空间发生的微小变化(见图六)。双黑洞是eLISA最重要的目标源。相对论学家相信eLISA一旦建成(~2034年)就可以聆听发自宇宙各处很多双黑洞并合时因轨道迅速衰减而致的一声紧似一声的兴奋低吟。它将会打开一个全新的窗口,为研究双黑洞、宇宙学和引力本身带来全面的突破。

脉冲星几乎是宇宙中最好的时钟,它们可以精确到十亿分之一秒。脉冲星的脉冲信号横跨时空传至地球。若引力波穿过脉冲信号的前行路径造成空间微小的挤压或拉伸,其可影响脉冲到达地球的时间。因此对脉冲信号的监测也可帮助探测双黑洞并合造成的引力波辐射及很多双黑洞并合造成的引力波背景辐射。正在进行的脉冲星时频阵列[Pulsar Timing Array (PTA),如Parkes]等的观测已经表明引力波背景辐射信号比目前简单的星系和黑洞演化模型给出的要小,对这些模型提出了很强挑战[16]。


图六:eLISA的三个探测器之一[15]。


宇宙中的大量双黑洞在或远或近的距离上共舞,它们弹拨时空的琴弦,奏响宇宙中最华美的交响乐章——背景引力波辐射。它们最终会合并为单黑洞并归于沉寂,但它们永远不会消失。它们会蛰伏在时空的深处,张开引力的爪牙,等待着吞噬不幸靠近它们的气体或恒星,从而再次创造辉煌而成为宇宙中最闪亮的天体。又或者它们等待着与靠近它们的伙伴结伴共舞,又一次拨动时空之弦,传遍宇宙的每一个角落。未来的引力波天文台(如eLISA)和脉冲星时频阵列(PTA)等也许会如期待的一样探测并证实双黑洞并合发射的引力波,也许不能。如果能,那将为广义相对论这一宏伟殿堂添上一根最坚实的梁柱。如果不能,那么物理学和人们对宇宙的认识也许会揭开一个崭新的篇章。

2015年10月8日于北京


文献:


[1] Sch?del, R., Ott, T., Genzel R., et al. 2002, “A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole in the centre of the Milky Way”,Nature, 419, 694

[2] Ghez, A. M., Salim, S., Weinberg, N. N., et al. 2008, “Measuring distance and properties of the Milky Way’s central supermassive black hole with stellar orbits”,ApJ, 689, 1044

[3] Kormendy, J., & Ho, L. C. 2013, “Coevolution (or not) of supermassive black holes and host galaxies”, ARA&A, 51, 511

[4] Begelman, M. C., Blandford, R. D., & Rees, M. J. 1980, “Massive black hole binaries in active galactic nuclei”,Nature, 287, 307

[5] Yu, Q. 2002, “ Evolution of massive binary black holes”,MNRAS, 331, 935

[6] Komossa, S., Burwitz, V., Hasinger, G., Predehl, P., Kaastra, J. S.,& Ikebe, Y. 2003,“Discovery of a Binary Active Galactic Nucleus in the Ultraluminous Infrared Galaxy NGC 6240 Using Chandra”,ApJL, 582, L15

[7] Gaskell, C. M. 1983, “Quasars as supermassive binaries”,Liege International Astrophysical Colloquia, 24, 473

[8] Boroson, T. A., & Lauer, T. R. 2009, “A candidate sub-parsec supermassive binary black hole system”,Nature, 458, 53

[9] Halpern, J. P., & Filippenko, A. V. 1988, “A test of the massive binary black hole hypothesis - ARP 102B”,Nature, 331, 46

[10] Valtonen, M. J., Lehto, H. J., Nilsson, K., et al. 2008, “A massive binary black-hole system in OJ287 and a test of general relativity”,Nature, 452, 851

[11] Graham, M. J., Djorgovski, S.G., Stern, D., et al. 2015, “A possible close supermassive black-hole binary in a quasar with optical periodicity”,Nature, 518, 74

[12] D'Orazio, D. J., Haiman, Z., & Schiminovich, D. 2015,“Relativistic boost as the cause of periodicity in a massive black-hole binary candidate”,Nature, 525, 351

[13] Yan, C.S., Lu, Y., Dai, X., & Yu, Q. 2015, “A Probable Milli-parsec Supermassive Binary Black Hole in the Nearest Quasar Mrk 231”,ApJ, 809, 117

[14] Liu, F. K., Li, S., & Komossa, S. 2014, “A Milliparsec Supermassive Black Hole Binary Candidate in the Galaxy SDSS J120136.02+300305.5”,ApJ, 786, 103

[15] https://www.elisascience.org/

[16] Shannon, R. M., V. Ravi, V., Lentati, L. T., et al. 2015, “Gravitational waves from binary supermassive black holes missing in pulsar observations”,Science, 349, 6255, 1409


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>