史诗级的宇宙华尔兹
史诗级的宇宙华尔兹Original Gaviota
原理 2022-03-03 04:30
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在90亿光年之外的深空中，正上演着一段史诗级别的宇宙华尔兹。两个超大质量黑洞以两年为周期互相绕行。这两个巨型天体的质量都比太阳大数亿倍，它们之间的距离大约是太阳和冥王星之间的50倍。据估计，当这对天体在大约一万年后并合时，巨型碰撞将撼动时空本身，在宇宙中发出悠扬的引力波。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHMRrsHdzA9jI10xwweAE9ywagB8Njt5GcOI0deOWticClhOTfSIPm8zGUZ8UFoIGtETnMD67SZa33g/640?wx_fmt=gif两个超大质量黑洞互相环绕运行。| 图片来源：Caltech/R. Hurt (IPAC)
这正是近日一组天文学家团队的新发现。他们找到的证据表明，这种情况发生在一种被称为类星体的能量剧烈的天体中。它们也是目前已知的第二对处于并合过程中的超大质量黑洞的候选天体。研究已于近日发表在《天体物理学杂志通讯》上。
类星体PKS 2131-021
在大多数星系的核心，都存在着巨大的黑洞，包括我们的银河系。类星体是一种活动星系核，在它核心的超大质量黑洞会从环绕它的盘中抽吸物质。在一些类星体中，超大质量黑洞会产生以接近光速的速度射出的喷流。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHMRrsHdzA9jI10xwweAE9yw3DWWEgib2R4icNEbwPFibq32ymgJmqUXSc1yskwP570hfqahWGp4nnaLQ/640?wx_fmt=gif一个超大质量黑洞周围环绕着气体和尘埃盘。黑洞正喷出相对论喷流，也就是以接近光速喷出的喷流。| 图片来源：Caltech/R. Hurt (IPAC)
天文学家已经知道，类星体可以拥有两个互相绕行的超大质量黑洞，但是要找到这方面的直接证据却很困难。我们已知的第一对并合的候选超大质量黑洞位于名为OJ 287的类星体中，根据研究，它们以9年为周期互相绕行。
新研究中观测到的类星体被命名为PKS 2131-021，它属于类星体的一个亚类，被称为耀变体，其喷流是指向地球的。
研究认为，新类星体PKS 2131-021中的超大质量黑洞以两年为周期互相绕行，彼此相距2000个天文单位（一个天文单位是地球和太阳之间的距离），大约是太阳和冥王星之间距离的50倍，只有OJ 287中那对黑洞距离的十分之一到百分之一。
揭示45年的光曲线
有关PKS 2131-021的证据来自对其长达45年的射电观测。研究表明，从其中一个黑洞发出的强大喷流，受到这对黑洞的轨道运动的影响而来回晃动。这导致了这个类星体的射电光亮度会发生周期性变化。
用研究人员的话说，这些发现就像一本“精彩的侦探小说”一样展开。从2008年起，团队开始使用OVRO（欧文斯谷射电天文台）研究黑洞如何将它们“吃”下的物质转化为相对论喷流，也就是以高达99.98%的光速射出的喷流。为此，团队一直在监测1000多个耀变体的亮度。
直到2020年，他们注意到了一种独特的情况。PKS 2131-021射电数据的组合产生了一个近乎完美的正弦曲线，这与之前从类星体观察到的任何结果都不一样。比如，OJ 287同样表现出了周期性的射电光变化。但那些波动更加不规则，而不是正弦波。
这种正弦周期变化意味着，其中包含一种模式，可以让天文学家随着时间的推移不断向前追踪。研究团队随后通过存档的射电数据，开始寻找过往的光曲线中的特定峰值。
最早，来自VLBA（甚长基线阵）和UMRAO（密歇根大学射电天文台）的数据显示，2005年出现的一个峰值与预测相符。UMRAO的数据进一步显示，在那之前的20年里没有出现正弦信号，一直退回到1981年，观测记录下了另一个预测的峰值。
团队原本没有意识到在1980年之前还有关于这个天体的数据。但在2021年夏天，随着这个项目被重新启动，天文学家在继续搜索文献后发现，海斯塔克天文台在1975年至1983年间同样对PKS 2131-021进行了射电观测。这些数据显示了与他们的预测匹配的另一个峰值，这次是在1976年。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMRrsHdzA9jI10xwweAE9ywGRL0wsPJoESNOUgh7IjiadBmFWWZ5ReOg19ZYMTUALzYQaOZ4D0EJoA/640?wx_fmt=jpeg类星体PKS 2131-02的三组射电观测数据，时间跨度为45年。观测结果与一个简单的正弦波（蓝色曲线）吻合。天文学家认为，正弦波模式是由位于类星体中心的两个超大质量黑洞每两年互相绕行造成的。(由于宇宙膨胀造成的多普勒效应，实际观察到的周期为5年。）其中一个黑洞射出的相对论喷流会周期性地变暗和变亮。1980年前后观察到的峰值是近期观察到的峰值的两倍，可能是因为当时有更多的物质落向黑洞并被喷射出来。| 图片来源：Tony Readhead/Caltech
正弦波变化背后的物理学起初是一个谜，但科学家想出了一个简洁的模型来解释变化的正弦波形状，揭示了这个系统的重要信息。
用一个简单的比喻，这个来回移动的喷流系统就好像一个滴答作响的时钟，正弦波的每个周期对应着黑洞两年为周期的轨道。（由于光被宇宙膨胀拉长，观察到的周期实际上是5年。）这种“滴答声”首次出现在观测记录中是1976年，它持续了8年，随后消失了20年，这可能是黑洞“燃料”的变化造成的。现在，这种“滴答声”已经恢复了17年。周期的稳定性强烈表明，这个耀变体藏有的应该不是一个超大质量黑洞，而是两个互相环绕的超大质量黑洞。
时空的涟漪
当星系并合时，它们中心的黑洞会“沉”到新形成的星系中间，并最终合为一体，形成一个更大的黑洞。随着黑洞不断朝着对方螺旋行进，它们会越来越明显地干扰时空结构，发出引力波。这是爱因斯坦在100多年前就预测到的。
虽然我们已经成功探测到了引力波，但星系中心的超大质量黑洞可以达到太阳质量的几百万到几十亿倍，它们发出的引力波的频率要比LIGO探测到的更低（扩展阅读：《弥漫整个宇宙的时空涟漪真的存在吗？》）。到目前为止，我们还没有从这些更重的来源中找寻到引力波。但是PKS 2131-021提供了迄今为止最有希望的目标。
同时，这项研究也为未来搜索这类耀变体双星系统提供了一个蓝图。它展示了多年来对这些来源进行精确监测而帮助获得科学发现的价值。
#创作团队：
撰文：Gaviota排版：雯雯
#参考来源：
https://www.caltech.edu/about/news/colossal-black-holes-locked-in-dance-at-heart-of-galaxy#图片来源：
封面图：Caltech首图：Caltech
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