NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處于最終通過(guò)引力波輻射而損失軌道角動(dòng)量形成雙黑洞并合之前的階段，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，為科學(xué)家提供了一個(gè)研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的絕佳機(jī)會(huì)。
茫茫宇宙，布滿了無(wú)數(shù)星系與黑洞。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)“宇宙車禍”在所難免，“傷亡”情況如何，可能需要億萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)觀測(cè)。
超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)源于星系“碰撞”
“就像同星系中兩顆恒星會(huì)發(fā)生并合一樣，星系團(tuán)中星系發(fā)生‘碰撞’的概率也很高?！崩仔l(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，比值越大則分布越稀疏，發(fā)生碰撞的概率就越小。
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10萬(wàn)，銀河系中恒星的這一比值約為百萬(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。所以，星系相互碰撞在宇宙中十分普遍。
科學(xué)觀測(cè)表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。如通過(guò)觀測(cè)銀河系中心數(shù)十顆恒星的運(yùn)動(dòng)，利用恒星動(dòng)力學(xué)方法，科學(xué)家測(cè)定銀心中存在一顆約400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。
“越來(lái)越多的證據(jù)表明，每個(gè)星系中心都可能隱藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。”雷衛(wèi)華表示，早在2017年，天文學(xué)家便利用事件視界望遠(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60億倍太陽(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)家觀測(cè)這類超大質(zhì)量雙黑洞，主要是通過(guò)高分辨率多波段望遠(yuǎn)鏡，對(duì)雙黑洞軌道進(jìn)動(dòng)導(dǎo)致的特性星系形態(tài)、稍小黑洞穿過(guò)大質(zhì)量黑洞吸積盤時(shí)所產(chǎn)生的準(zhǔn)周期性光變、雙黑洞產(chǎn)生的譜線雙峰結(jié)構(gòu)以及雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等進(jìn)行觀測(cè)。
超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的演化分為三個(gè)階段。首先，雙黑洞各自與其周圍物質(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”（兩個(gè)黑洞的間距會(huì)在1秒差距后便無(wú)法再靠近），這可以通過(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，如果兩顆黑洞靠得足夠近，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。
有助于了解銀河系與仙女座星系并合
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)家提供了一個(gè)研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的絕佳機(jī)會(huì)。
通過(guò)高分辨率光譜觀測(cè)，科學(xué)家可以分辨出黑洞周圍的恒星動(dòng)力學(xué)信息。研究人員首次直接測(cè)出這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，分別為1.5億倍太陽(yáng)質(zhì)量和630萬(wàn)倍太陽(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)利用動(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)際上并合將發(fā)生于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原點(diǎn)所需要的時(shí)間，“我們肯定是無(wú)法見(jiàn)證這一壯觀的并合過(guò)程了?！?/p>
事實(shí)上，科學(xué)家不止一次發(fā)現(xiàn)即將并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及通過(guò)其他方式（多為利用雙黑洞導(dǎo)致的間接效應(yīng)）發(fā)現(xiàn)的一些候選體，但因觀測(cè)的不確定性，這些候選體是否為超大質(zhì)量雙黑洞本身就存在較多爭(zhēng)議，且這些候選體都離地球太遠(yuǎn)，更難確定雙黑洞的間距以及并合時(shí)間。
雷衛(wèi)華說(shuō)，這次發(fā)現(xiàn)極具吸引力，一旦最終研究結(jié)果得以確認(rèn)，將具有重要的科學(xué)意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處于最終通過(guò)引力波輻射而損失軌道角動(dòng)量形成雙黑洞并合之前的階段，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，可能會(huì)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)烈暗示著，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的并合幫助很大。
銀河系“車禍”不會(huì)殃及地球
科學(xué)家一致認(rèn)為，雙黑洞并合的結(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)量雙黑洞的并合也會(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)生的引力波頻率不在地面引力波探測(cè)器激光干涉引力波天文臺(tái)的探測(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)。
兩個(gè)星系相撞，會(huì)出現(xiàn)恒星“打群架”的場(chǎng)景嗎？距離地球如此近，會(huì)對(duì)我們?cè)斐墒裁从绊憜?？“星系的并合?duì)整個(gè)星系而言，并無(wú)毀滅性影響?！崩仔l(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，就更加不用我們“操心”了。星系并合導(dǎo)致的超大質(zhì)量雙黑洞并合除了產(chǎn)生較強(qiáng)的低頻引力波輻射，以及導(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很大，其產(chǎn)生的很多引力波因?yàn)樘醵鵁o(wú)法分辨，這些信號(hào)疊加形成了引力波背景噪聲?？茖W(xué)家通過(guò)探測(cè)這些引力波背景噪聲，就可以估算出有多少超大質(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，星系中的氣體壓縮，使得大量恒星快速形成，星暴星系由此形成。
同時(shí)，部分特殊形態(tài)的星系也可能由碰撞而來(lái)，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。 （科技日?qǐng)?bào)記者 吳純新 通訊員 王瀟瀟）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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