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25亿光年外,两个8亿多倍太阳质量的超大质量黑洞,即将碰撞!

  原创博科园4天前我要分享

  每个黑洞质量都是太阳质量的8亿多倍,随着这两个超大质量黑洞在死亡螺旋中逐渐靠近,它们将开始在时空中发出涟漪般的引力波。这些宇宙波纹将加入到其他超大质量黑洞引力波的背景噪声中。即使在命中注定的碰撞发生之前,这对超大质量黑洞发出的引力波也会使之前由小得多的黑洞和中子星合并,所探测到的引力波相形见绌。纽约熨铁龙研究所计算天体物理中心的副研究员、发现者之一Chiara Mingarelli说:超大质量黑洞双星产生的引力波是宇宙中最大。

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  来自超大质量黑洞对的引力波,比LIGO探测到的引力波大一百万倍。这项研究由普林斯顿大学(Princeton University)副研究员安迪古尔丁(Andy Goulding)牵头。来自普林斯顿大学和华盛顿特区美国海军研究实验室的古尔丁、明加雷利及其合作者这一发现发表在的《天体物理学》(Astrophysical Journal Letters)上。这两个超大质量黑洞特别有趣,因为它们距离地球约25亿光年。

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  由于在天文学中观察遥远的物体就像回顾时间一样,这对黑洞属于一个比我们周围宇宙年轻25亿年的宇宙。巧合的是,天文学家估计黑洞开始产生强大引力波所需的时间大致相同。在今天的宇宙中,黑洞已经在发射这些引力波,但即使以光速传播,这些波也要几十亿年才能到达我们这里。不过,这两个黑洞仍然很有用。双星黑洞的发现可以帮助科学家估计有多少附近的超大质量黑洞正在发射引力波,我们现在就可以探测到。

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  探测引力波背景将有助于解决天文学中一些最大的未知问题,比如星系融合的频率,超大质量黑洞对是否会完全融合,或者陷入近乎无休止的绕对方旋转。研究合著者、普林斯顿大学天体物理学教授珍妮格林(Jenny Greene)说:我们不知道超大质量黑洞是否会合并,这对天文学来说是一个重大的尴尬,对于研究黑洞物理学的每个人来说,从观测上看,这是一个我们需要解决的长期难题,超大质量黑洞包含数百万甚至数十亿个太阳的质量。

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  几乎所有的星系,包括银河系,其核心都至少有一个庞然大物。当星系合并时,超大质量黑洞相遇并开始相互环绕。随着时间的推移,当气体和恒星穿过黑洞并窃取能量时,这个轨道就会变小。然而,一旦超大质量黑洞足够靠近,这种能量盗窃就几乎停止了。一些理论研究表明,黑洞之间的距离约为约3.2光年。这种放缓几乎无限期地持续下去,被称为秒差距的最后一个问题。在这种情况下,只有由三个或更多超大质量黑洞组成的非常罕见群体才会导致合并。

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  天文学家不能仅仅寻找停滞的对偶,因为早在黑洞相距1秒差距之前,它们就太近了,无法作为两个独立的物体来区分。此外,只有当它们克服了最终的1秒差距障碍并靠得更近时,它们才会产生强大的引力波(在25亿光年外观测到这些新发现的超大质量黑洞,相隔约430秒差距)。如果秒差距的最后一个问题不存在,那么天文学家预计宇宙中充满了来自超大质量黑洞对的引力波。这种噪音被称为引力波背景,有点像蟋蟀在夜晚发出的嘈杂声,无法分辨一只蟋蟀和另一只蟋蟀,但噪音的大小可以帮助估计有多少只蟋蟀。

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  当两个超大质量黑洞最终相撞并结合时,它们发出的轰鸣声让其他所有黑洞相形见绌。不过,这样的事件很短暂,而且极其罕见,所以科学家们预计近期内不会发现。超大质量黑洞对产生的引力波超出了LIGO和Virgo等实验目前可观测到的频率。相反,引力波猎人依靠的是一组叫做脉冲星的特殊恒星,它们的作用类似于节拍器。快速旋转的恒星以稳定节奏发出无线电波。如果一个经过的引力波拉伸或压缩了地球和脉冲星之间的空间,节奏就会稍微被打乱。

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  使用这些脉冲星定时阵列中的一个来探测引力波背景需要耐心和大量被监测的恒星。一个脉冲星的节奏在十年内可能只会被打乱几百纳秒。背景噪声越大,定时干扰越大,第一次检测就越快。古尔丁、格林和团队中的其他观测天文学家用哈勃太空望远镜探测到了这两个超大质量黑洞。虽然超大质量黑洞无法通过光学望远镜直接观测到,但它们被明亮的恒星团和强大引力吸引而来的温暖气体所包围。在历史上的某个时期,隐藏着新发现超大质量黑洞对的星系“基本上是宇宙中最明亮的星系”。

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  更重要的是,星系核心正在喷出两股异常巨大的气体柱。在研究人员将哈勃太空望远镜对准星系以揭示其壮观气体云的起源之后,发现星系中包含的不是一个而是两个巨大黑洞。随后,观测学家与引力波物理学家明加雷利和普林斯顿大学研究生克里斯帕尔多合作,在引力波背景下解释了这一发现。这一发现为估算有多少超大质量黑洞对在地球探测距离之内提供了一个定位点。

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  之前的估计是基于星系融合计算机模型,而不是对超大质量黑洞对的实际观测。根据这些发现,帕尔多和明加雷利预测,在乐观的情况下,银河系附近大约有112个超大质量黑洞在发射引力波。因此,对超大质量黑洞引力波背景的首次探测应该在未来五年左右内完成。如果不进行这样的检测,这将证明秒差距的最终问题可能无法解决。该团队目前正在观察其他类似于隐藏着新发现的超大质量黑洞对星系,找到更多配对将有助于进一步完善预测。

  博科园|研究/来自:西蒙斯基金会

  参考期刊《天体物理学》

  DOI: 10.3847/2041-8213/ab2a14

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