黑洞|一个星系“怀抱”两个大黑洞 是种怎样的体验
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图片来源：unm.edu
绝大部分星系中心都盘踞着一个庞然大物——超大质量黑洞 ， 其质量大约是数百万倍甚至数十亿倍太阳质量不等 。
目前观测数据显示 ， 每个星系中心都有一个超大质量黑洞 ， 几乎没有例外 。 它们有着不同的状态——有的正在吞噬物质、活跃异常；有的停止“进食”、安静沉睡 。
然而 ， 最近的一项研究却发现星系中心可能存在两个超大质量黑洞 。
近期 ， 一个国际研究团队发现了11个活跃星系的周期性伽马射线暴发 ， 其中2个为已知源 ， 9个为新源 。 研究者认为导致这一现象的原因可能有多种 ， 其中一种便是这些星系的中心存在两个超大质量黑洞 。
该研究成果已发表在《天体物理学》期刊上 。
周期性变化信号或是重要特征
【黑洞|一个星系“怀抱”两个大黑洞 是种怎样的体验】确定伽马射线信号的周期性模式 ， 就像是在狂风暴雨的海洋中找出由一艘小船驶过而引起的微小、有规则的波纹
众所周知 ， 黑洞引力巨大 ， 连光也无法逃脱其“魔爪” 。 藏匿于星系核心的超大质量黑洞 ， 是如何被找到的？
事实上 ， 黑洞处于活跃的“进食”状态时 ， 其附近物质在被吞噬的过程中相互摩擦释放能量 ， 形成明亮的吸积盘；有部分物质可能在被“吃”之前沿着旋轴的方向喷射出高能粒子 ， 产生喷流 。
科学家就是通过观测吸积盘或喷流释放的电磁波信号 ， 发现了这些隐匿在星系中心的黑洞 。 “通常情况下 ， 科学家可通过光学波段电磁信号观测黑洞吸积盘 ， 而喷流的大部分能量则是以伽马射线、X射线和射电辐射的形式释放 。 ”中国科学院国家天文台研究员陆由俊在接受科技日报采访人员采访时表示 。
在此次研究中 ， 研究人员便是利用了美国国家航空航天局（NASA）费米太空望远镜长达9年的伽马射线观测数据 ， 较为系统地梳理了2000多个星系中心的活跃黑洞信号 ， 最终找出11个具有周期性变化规律的伽马射线源 ， 变化周期平均2年左右 。
“确定伽马射线信号的周期性模式 ， 就像是在狂风暴雨的海洋中找出由一艘小船驶过而引起的微小、有规则的波纹 。 ”文章第一作者、西班牙马德里大学佩尼尔博士表示 ， 这一研究结果或将支持星系中心存在两个超大质量黑洞的观点 。
星系中心双黑洞为何可能会导致周期性伽马射线信号？陆由俊表示 ， 可以从以下两个方面来理解 。
一方面 ， 双黑洞相互扰动会导致喷流亮度发生周期性变化 。 如果星系中心存在两个相互绕转的超大质量黑洞 ， 二者周围的吸积盘也会周期性“转圈” ， 落入黑洞中的物质质量也会存在周期性变化规律 ， 进而影响黑洞发射的喷流亮度 ， 望远镜就会接收到周期性伽马射线信号 。
另一方面 ， 双黑洞绕转也会导致喷流的喷射方向发生周期性改变 。 就像地球同时存在公转和自转一样 ， 双黑洞模型中 ， 每个黑洞都存在绕另一黑洞旋转的轨道角动量 ， 以及自身旋转的自转角动量 。 通常 ， 轨道角动量和自转角动量并不相同 ， 二者耦合 ， 自转角动量会在轨道角动量的扰动下发生周期性变化 ， 喷流的方向也就会随之改变 。 想象一下 ， 原本单一黑洞的喷流方向是固定的 ， 然而由于另一个黑洞的扰动 ， 原本方向固定的喷流在一个周期内以黑洞为中心来回摇摆 。 由于地球上的望远镜始终处于观测目标的某一特定方向 ， 因此我们接收到的伽马射线信号也时强时弱 ， 具有规律性 。
“除了伽马射线 ， 此前也有学者通过梳理吸积盘发射的光学波段信号 ， 以周期性光变作为双黑洞存在的观测依据 。 ”陆由俊表示 。
当然 ， 导致观测信号周期性变化的原因并非只有双黑洞 ， 单一黑洞吸积盘或喷流的进动、黑洞吸积盘本身的准周期振荡等也可能导致类似的周期性观测结果 。
早有推断却缺乏观测“实锤”
双黑洞以较高角速度相互绕转 ， 会将靠近的恒星“踢走” ， 导致星系中心的恒星密度变低
其实 ， 这并非是天文学家第一次提及双黑洞模型观点 ， 数十年前就有学者提出过星系中心存在超大质量双黑洞的理论推测 ， 却一直没有在实际观测中找到“实锤” 。
“学界主流观点认为 ， 两个星系碰撞或合并后可能会在星系中心形成超大质量双黑洞系统 。 ”陆由俊说 。
天文学家此前已经观测到过很多次两星系碰撞或合并 ， 表明这种现象并不罕见 ， 甚至在宇宙早期发生的频率会更高 。 例如 ， 此前《自然》期刊上曾发表过一项研究成果 ， 研究人员一次性发现了数个星系合并的例子 ， 星系中心黑洞也在相互靠近 。 虽然目前尚未形成真正意义上的单星系双黑洞系统 ， 但经过未来长时间的演化 ， 终将会形成双黑洞 。
如果星系中心真的存在超大质量双黑洞 ， 会给星系带来怎样的影响？
陆由俊告诉科技日报采访人员 ， 双黑洞以较高角速度相互绕转 ， 会将靠近的恒星“踢走” ， 导致星系中心的恒星密度变低 。 观测方面 ， 也会出现前文提及的相关电磁信号周期性变化 ， 其光谱各波段的能量配比和发射线轮廓变化也会与单黑洞星系有所不同 。
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