北大天文學系劉富坤教授等首次發現隱匿超大質量雙黑洞

2020-11-28 北大新聞網

2014年4月22日，歐洲航空航天局（ESA）（http://sci.esa.int/home）發布新聞，報導北京大學物理學院天文學系劉富坤教授及其合作者近日發現的一對互相繞轉的超大質量雙黑洞。這是首次在普通星系中發現超大質量雙黑洞。這對隱匿的雙黑洞之所以能夠被發現是因為它們最近潮汐撕裂了一顆恆星，而歐空局的XMM-Newton X-射線衛星當時恰巧正對準它們所在的方向進行觀測而目睹了這一事件。這次發現驗證了劉富坤教授等學者於2009年提出的關於雙黑洞的一個理論預言，同時也開啟了天文研究的一個新領域。

天文學家們相信，幾乎所有大質量星系中心都寄住著至少一個超大質量黑洞，而存在兩個超大質量黑洞則是該星系曾與另外一個星系發生併合的鐵證。因此，發現超大質量雙黑洞能明確告訴天文學家星系是如何演化到它們目前的大小和形態的。

在此之前，天文學家們已發現了幾對超大質量雙黑洞，但這些已發現的雙黑洞都位於一類特殊的、活動的星系中。在這些活動的星系中，黑洞持續不斷地從星系中吸積氣體雲團，同時加熱這些被吸積的氣體到極高溫度，然後在包括X-射線在內的眾多波長上發出強烈的光芒，使得這些星系具有一個明亮的、活躍的中心，因而被天文學家們稱為「活動的星系核」。這次劉富坤教授及其合作者的新發現的重要性在於，它是首例發現於不活動的普通星系中的超大質量雙黑洞。而宇宙中絕大多數星系都是不活動的普通星系。

大爆炸宇宙學星系形成和演化理論預言，所有大質量星系中心都曾經寄住過或正寄住著超大質量雙黑洞。然而，要發現它們則是一項極端困難和挑戰的任務，因為顧名思義，黑洞本身是不發光的，而靜寧星系中心又沒有氣體雲團塊供黑洞吸積和加熱，因而這些星系中心的黑洞幾乎總是處於徹底的黑暗之中。

天文學家們所能寄予的唯一希望就是當其中的一個黑洞開始工作——將一顆偶爾飛臨的恆星撕裂成碎片時，恰巧對準該方向進行觀測。這樣的現象被天文學家們稱為「恆星潮汐撕裂事件」。伴隨著恆星被黑洞潮汐引力撕裂，它會產生強烈而短暫的X-射線閃耀。

2010年6月10日，XMM-Newton X-射線衛星捕捉到一例來自大熊座星系SDSS J120136.02+300305.5的恆星潮汐撕裂事件。隨後啟動的XMM-Newton X-射線衛星和美國國家航空航天局（NASA）的Swift衛星的跟蹤觀測表明，它起初看起來完全就是一例由單個超大質量黑洞引起的典型恆星潮汐撕裂事件。但隨著對該緩慢衰落的X-射線閃耀進行一天又一天的追蹤監測，奇怪的事情突然發生了！在距該恆星潮汐撕裂事件被發現之後的第27天到第48天之間，其X-射線輻射瞬間暴跌至衛星的探測極限之下——從X-射線衛星的視野中徹底消失了，然後它突然重新出現並遵循著暴跌之前的初始規律緩慢衰落，就好像什麼也不曾發生過一樣。

劉富坤指出，這一奇怪行為和人們所預期的發生在超大質量雙黑洞中的恆星潮汐撕裂事件的特徵完全一樣。

圖 1、星系中心互相繞轉的超大質量雙黑洞恆星潮汐撕裂事件藝術想像圖。主黑洞將一顆恆星撕碎裂成細長氣體流，該氣體流在流向黑洞形成圍繞黑洞旋轉的吸積盤時被高溫加熱產生強烈X-射線輻射。當次黑洞繞轉到氣體流附近（但不穿過）時，產生的破壞性引力擾動作用使氣體流中部分氣體流飛離，留下一段空隙。X-射線出現突然下跌直至黑暗現象對應空隙到達主黑洞時刻。（繪圖：ESA -C. Carreau）

劉富坤及其領導的研究團隊長期以來一直致力於對雙黑洞系統恆星潮汐撕裂事件的理論研究。在發表於2009年的理論工作（文獻1）中他們預言，當雙黑洞潮汐撕裂恆星時，由於次黑洞對流向「工作」黑洞的氣體流產生破壞性引力擾動而暫時性地剝奪氣體流，使其暫停向X-射線閃耀提供燃料，於是X-射線輻射出現斷裂式下跌直至黑暗，然後恢復現象（如圖１所示）。在即將發表於2014年5月10日出版的第786卷美國《天體物理學》雜誌上的論文（文獻2）中，劉富坤教授與國家天文臺李碩博士、德國馬克思－普朗克學會射電天文研究所史蒂芬妮·科摩薩（Stefanie Komossa）博士合作，通過數值模擬和嚴格理論分析論證發現，星系SDSS J120136中存在著一對隱匿的超大質量雙黑洞。他們發現，有兩套雙黑洞系統情形可完美重構SDSS J120136的觀測結果（如圖2所示）。

圖2、雙黑洞（情形一）對星系SDSS J120136.02+300305.5潮汐撕裂恆星事件x-射線光變曲線的完整重構（紅實線)。圖中菱形符號為XMM-Newton衛星及Swift衛星的觀測值及誤差，向下箭頭代表X-射線源亮度低於衛星的探測極限時得到的流量上限，實際亮度低於該值。黑色虛線為單黑洞中恆星潮汐撕裂事件的典型光變曲線。（取自文獻2）

在第一種情形中，一個具有一千萬倍太陽質量的主黑洞和一個具有一百萬倍太陽質量的次黑洞在橢圓軌道上相互繞轉；在第二種情形中，主黑洞質量是太陽質量的一百萬倍，而在圓軌道上繞轉的次黑洞質量則只有十萬倍的太陽質量。在兩種情形下，黑洞之間的距離都相當的小：僅千分之零點六秒差距，或大約千分之二光年，這大致相當於太陽系的寬度。在這樣密近的距離上，這對雙黑洞的命運已經註定：引力波輻射將帶走它們的軌道能量，兩個黑洞螺旋式地慢慢互相靠近，在大約二百萬年後併合成一個新的黑洞。

劉富坤等對普通星系中第一例隱匿超大質量雙黑洞的成功發現，將不可避免地促使國際天文學家開始搜索更多的隱匿在普通星系中心的超大質量雙黑洞，同時也將刺激那些正在或計劃對恆星潮汐撕裂事件開展全天巡天的空間X-射線衛星——如歐空局的eROSITA、中國即將發射升空的SVOM和未來的EP等，以及包含下一代地面最重要望遠鏡LSST在內的等眾多探測器將修訂研究計劃而將其納入為主要的搜尋對象。這些望遠鏡將探測到數千至上萬的恆星潮汐撕裂事件。有了這些探測結果，利用劉富坤等提出的方法和理論，天文學家們就可以提取出關於星系併合率、超大質量黑洞起源以及在宇宙中演化歷史的可靠統計數據。

劉富坤等的工作還讓天文學家們可以有更多的期待。當雙黑洞併合時，預計將以引力波的形式向宇宙空間爆發性釋放巨大的能量。超大質量雙黑洞的併合將是宇宙中最強的引力波輻射源。引力波是愛因斯坦廣義相對論預言的一種時空漣漪。目前世界各地的天文學家們正建造一種新類型的天文觀測臺來探測這些漣漪。其中，歐空局下一代大科學任務「宇宙遠景計劃」之一——L3任務「雷射幹涉儀空間天線（LISA）」的科學主題就是搜索和探測超大質量雙黑洞併合發出的以往難以被發現的引力波。而歐空局計劃於2015年發射升空的「LISA探路者」號將檢驗和測試建造該空間引力波探測器所必需的關鍵技術。

鑑於隱匿超大質量雙黑洞的發現將開創一個天文學新領域，以及XMM-Newton衛星在其中所作的貢獻，歐空局於2014年4月22日通過其新聞網首家向全世界報導了這一重大發現。在該新聞的最後，歐空局XMM-Newton空間望遠鏡項目科學家諾伯特·斯卡特爾（Norbert Schartel）教授總結說：「XMM-Newton擺動式觀測的創新性使用使得發現這對超大質量雙黑洞成為可能。這一發現證明了持久運轉的空間天文臺在探測這類能開啟天文學新領域的稀少事件中所能扮演的重要角色。」這也是對這次發現重要性的一個中肯評價。

本文介紹的研究成果得到了國家自然科學基金的支持。

相關連結：

歐洲航空航天局新聞網報導 

《中國科學報》頭版報導

背景材料：

文獻1、「Interruption of Tidal-Disruption Flares by Supermassive Black Hole Binaries」，by F.K. Liu, S. Li, X. Chen, The Astrophysical Journal Letters, Vol.706 (2009), L133-L137

文獻2、「A milli-parsec supermassive black hole binary candidate in the galaxy SDSS J120136.02+300305.5」, by F.K. Liu, S. Li, S. Komossa, The Astrophysical Journal, Vol.786 (2014), 103 (arXiv:1404.4933)

 

編輯：安寧

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