史上第二對超重雙黑洞現身,證實 Z 型電波理論假設

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 21 日 17:48 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

人類直到 2015 年才首次觀測到雙黑洞合併現象,且還只是恆星黑洞等級,可想而知,由兩個超大質量黑洞組成的「超重雙黑洞」更是難解之謎,天文學家至今也只確認了一對。直到最近,一份最新研究終於宣布找到第 2 對超重雙黑洞,並進一步證實了一個理論假設:這些成雙成對的黑洞應該存在於「Z 型」無線電波源(Z-shaped radio source)星系。



根據黑洞的質量大小,可將之分類為超大質量黑洞(SMBH)、中介質量黑洞(IMBH)、恆星黑洞(SBH)及微型黑洞(QMBH)。超大質量黑洞可在所有已知星系的中心發現蹤跡,質量為 105 ~10倍太陽質量,但它們大部分都處於「不活躍」狀態且吸積不多,起源更是依然未知。

許多年來,證明雙黑洞系統(binary black hole,縮寫 BBH,註 1)的存在已經非常困難,要進一步證明超重雙黑洞系統(2 顆繞著共同重心旋轉的超大質量黑洞)更是難上加難。雷射干涉重力波天文台(LIGO)在 2015 年 9 月檢測「GW150914」(2016 年 2 月發表)時,那是人類史上第一次觀測到雙黑洞併合(但這是恆星雙黑洞,非超重雙黑洞),也證實了愛因斯坦的重力波理論。

目前已知在類星體「OJ 287」、雙核星系「NGC 6240」或類星體「PG 1302-102」中可能有超重雙黑洞系統的候選人存在,但天文學家過去只明確證實了唯一一對,它們位於距離地球約 7.5 億光年的「0402+379」橢圓星系(也稱為「4C +37.11」星系)中,研究人員花了 20 多年時間觀察才確定了雙超大質量黑洞的軌跡。

這對雙生超大質量黑洞彼此緊密束縛、互相圍繞,相隔僅 24 光年(或 7.3 秒差距,註 2),軌道週期 3 萬年,兩者的總質量高達太陽質量的 150 億倍,一旦它們相撞(幾百萬年後),將產生目前宇宙已知的最強重力波源,因此在天文物理學被視為具高度重要性。

2015 年 8 月 28 日,NASA 倒是公布過中國中科院國家天文台團隊使用哈伯太空望遠鏡觀測西佛星系「Mrk 231」,利用該星系中心放射出的紫外線特性推斷出該處有雙黑洞系統存在,其中主黑洞質量約太陽的 1.5 億倍,伴黑洞質量約太陽的 400 萬倍,公轉週期約 1.2 年。但他們的研究方法實際上產生許多爭議,隨後,該模型便被明確表示為「不可行」

直到現在,第二對超重雙黑洞系統終於證實找到,研究人員使用美國的超長基線陣列(註 3),在位於距離地球 4 億光年的「NGC 7674」星系中心辨識出一對超重雙黑洞,彼此相隔僅 1.1 光年,軌道週期約 10 萬年,兩者總質量約太陽質量的 3,600 萬倍,不只比「0402+379」橢圓星系中的第一對超重雙黑洞還更接近地球,2 個黑洞彼此之間距離也更靠近。

▲「NGC 7674」星系。(source:歐洲太空總署)

這項觀測還證實了一個理論假設,即這些成雙的黑洞應該存在於「Z 型」無線電波源(Z-shaped radio source)星系,「NGC 7674」就是一個 Z 型無線電星系。論文合作作者、羅徹斯特理工學院物理學教授大衛‧梅里特(David Merritt)表示,Z 型是指在更大尺度上一個星系扭曲的無線電發射形態,會產生這種形態的星系被認為是由星系合併效應引起的,隨後形成大量雙黑洞。

研究由印度塔塔基礎研究所國家無線電天體物理中心(NCRA)的 Preeti Kharb 領導,成果發表在《自然天文學》期刊。

註 1:雙黑洞,是指由 2 顆繞著共同重心旋轉的黑洞系統,通常分成恆星雙黑洞(stellar binary black holes)和超重雙黑洞(binary supermassive black holes)。
註 2:秒差距(parsec),縮寫 pc,是天文學上的一種長度單位,同時也是最古老、最標準的測量恆星距離的方法,通常用於測量鄰近恆星之間的距離,1 pc 約等於 3.261 光年。維基百科定義,星系中央的 2 個超大質量黑洞自然距離大約落在一至數十個秒差距,這使 2 個黑洞形成一個緊密束縛的雙黑洞系統。
註 3:超長基線陣列(VLBA),由美國國家無線電天文台陣列操作中心遙控,是一組由 10 架無線電望遠鏡組成的陣列,也是全世界最大的天文超長基線干涉測量儀器。

(首圖來源:NASA

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