12年一輪迴:雙黑洞共舞縱穿吸積盤,「你中有我我中有你」

2020-12-03 天文在線

美國宇航局（NASA）斯皮策（Spitzer）太空望遠鏡即將退役，但在其服役16.5年所觀察的現象將是未來多年研究主題。比如說，斯皮策是唯一一個觀察到遠星系OJ287中心發生的令人震驚現象的望遠鏡：一個黑洞圍繞超大質量黑洞(SMBH)運動，並定期會穿過其吸積盤。

每當小黑洞穿過吸積盤時，都會產生比銀河系所有恆星發光總和還要強烈的閃光。通過斯皮策的觀測數據，國際天文學家小組得以創建相關模型，可準確預測閃光發生時間與較小黑洞的運動軌道。這個發現不僅演示了廣義相對論，而且也是對史蒂芬·霍金的「黑洞無毛定理」的驗證。

位於距地球35億光年的OJ287星系通常被譽為『耀變體』，即具有異常活躍的星系核並從其中心噴發高能量粒子的星系。在其中心是超大質量黑洞（SMBH），質量約為太陽180億倍，為迄今人類發現最大黑洞， 銀河系中心（射手座）的黑洞也才約為太陽質量的40倍。

在這數十年裡，天文學家意識到該黑洞的雙星性質，並推測它的同伴，那個約為太陽質量1.5億倍的黑洞，每12年完成一次公轉，每次公轉會撞擊超大質量黑洞（SMBH）吸積盤兩次。這些碰撞會產生膨脹的熱氣氣泡（耀斑），這些氣泡會偏移吸積盤並發出極強光。

這些耀斑被稱作『埃丁頓耀斑』，為紀念1919年亞瑟·愛丁頓爵士日全食觀測一百年。這個偉大的觀測證實了在其四年前阿爾伯特·愛因斯坦正式提出的廣義相對論。

因為小型黑洞的運行軌道不規則，它每十二年都會偏離軌道一些，且與吸積盤的角度發生傾斜。這意味著在運行周期中，它每次與吸積盤相撞產生耀斑的時間將不一。但只要天文學家意識到其雙星屬性，他們就可以嘗試構架準確預測下一次耀斑發生的模型。

2010年，科學家們首次成功構建預測耀斑發生模型，該模型可提前1-3周預測耀斑的發生。2015年12月，通過該模型成功提前3周預測到耀斑的發生，證明了這一模型的可靠性。直到2018年，該團隊構建了一個更加準確可靠的模型，可提前4周預測到閃光的發生。

圖：OJ289星系的雙黑洞系統。天文觀察者們證實了這一模型的準確性。圖源土耳其大學（University of TurkuIn）。該團隊最近運用斯皮策望遠鏡的觀測數據成功預測到2019年7月31日那天會出現耀斑，證實這一預測模型的準確性。最近，一篇名為「斯皮策望遠鏡對耀變體OJ287愛丁頓耀斑的觀測結果 」的論文記錄了這一發現，發表在了天文物理期刊快訊（the Astrophysical Journal Letters）上。

當時OJ287星系位於太陽的對面一側，因此天文觀察者們能觀測到耀斑實屬幸運。斯皮策望遠鏡的觀測範圍十分廣闊，最遠可觀測到距地球2.54億千米遠的地方，因此7月31日那天我們可以觀測到該星系。9月以前用斯皮策都可以觀測到OJ287星系，9月份的時候該星系就不再為太陽所遮擋。

塞薄·萊恩（Seppo Laine）是加州理工學院的一名副高級資深科學家，同時也是這篇論文的第一作者，由他負責監測用斯皮策望遠鏡對OJ287星系進行觀測得到的數據。他在NASA最近召開的一次新聞發布會上說道：

「當我第一次觀測到OJ287星系的時候，對於可以用斯皮策望遠鏡觀測到該星系，我大吃一驚，因為那天正好是我們預測到可以觀測到下一次耀斑出現的時間。能用斯皮策望遠鏡觀測到耀斑活動最劇烈的時刻，是我們的幸運。這世上沒有第二臺人造設備可以在那一刻完成如此壯舉」

藝術家們對於射手座A的設想，一個位於星系中央的巨型黑洞。圖源NASA/JPL

OJ287星系經預測會發出重力波，天文學家在地球上可以用雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）等設備觀測到。事實上，該星系產生的引力波威力巨大，將大大改變小黑洞的運行軌跡（因此，也將改變耀斑發光時間）。

之前關於OJ 287星系的研究已經對引力波做了一些闡釋，但是2018年的模型是迄今為止最詳細的。通過將雷射幹涉引力波觀測臺（LIGO）自2015年起獲取的信息納入這一模型，團隊能將耀斑預計持續時間縮短到正好1.5天。為了進一步完善他們的預測，他們也將較大黑洞物理特徵的細節考慮進去了。

值得一提的是，這一新模型結合了黑洞無毛定理，這一定理最初由包括史蒂芬霍金在內的一物理學家小組在20世紀60年代提出。這一定理預測黑洞的「表面」，或者更準確的說，黑洞的外邊界（即事件視界）沿著其旋轉軸是完全軸對稱的。團隊藉此將預測模型縮短了幾個小時。

通過比較精確地預測較小黑洞的運行軌道，新模型是支持黑洞無毛定理的。模型還證實了另一個預測，其由加州理工學院的名譽教授基普索恩在20世紀70年代所做，他描述了一個天體環繞特大質量黑洞的運行方式會揭示它的表面到底是對稱的還是「多毛的」。

一幅藝術家關於黑洞和它的吸積盤的想像圖。圖源：歐洲空間局/哈勃，歐南臺，M.科恩梅斯

解釋一黑洞到底是不是光滑而對稱的很重要，因為這決定了較小黑洞軌道運行時間。當一個軌道的問題主要在於質量的時候，質量的分布也就同樣重要。所以如果一個黑洞是「多毛的」，它將對任何環繞它運行的物體有著顯著的影響。

簡而言之，OJ 287星系支持黑洞表面沿其旋轉軸是對稱的理論。「我們證實或是否定黑洞無毛定理，對於研究黑洞的科學家來說是很重要的，」圖爾庫大學的天文物理學家，同時也是這一論文的合著者莫裡瓦爾頓這樣說道，「如果沒有它，我們根本不能相信由霍金和其他物理學家所設想的黑洞是存在的。」

這就是像斯皮策這樣望遠鏡的使命。（相信）在它們退休很久之後，這些曾在它們服役期間取得的成績也會持續影響著科學的發現和突破。永別了，斯皮策。另外也感謝所有關於宇宙的紅外數據！

作者：universetoday

FY：Astronomical volunteer team

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