double black hole colliding

今年四月中,「事件視界望遠鏡」(The Event Horizon Telescope, EHT) 發表了黑洞首張照片,讓「黑洞」(Black Hole) 公諸於世。最近,天體物理學家又發現了一個奇異的天文現象 --- 在遙遠的宇宙中,一對「超大質量黑洞」(Supermassive black hole) 即將對撞!

這對泰坦黑洞距地球約 25 億光年,兩者質量都非常巨大,估計有太陽的八億多倍。它們彼此圍繞旋轉跳著死亡華爾茲並逐步靠近。最終,這對超級黑洞會互相碰撞並融爲一體,這現象將對它們所處的星系造成恐怖的影響。

即使碰撞之前,兩個超大質量黑洞旋轉造成的引力波也非常強大,遠遠超出已經過往觀測到的恆星級黑洞的引力波。研究團隊把這項新發現的研究論文發表於 2019 年 7 月 10 日的《天體物理期刊通訊》(‫The Astrophysical Journal Letters) 上。

論文作者之一,美國紐約 Simons Foundation 的內部研究部門之一,弗拉迪朗研究所 (Flatiron Institute) 計算天體物理中心 (Computational Astrophysics, CCA) 副研究員 Chiara Mingarell 說,『超大質量黑洞對旋轉所產生的引力波是宇宙中最強大的,來自超大質量黑洞對的引力波,比雷射干涉引力波天文台 (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) 探測到的引力波還要強一百萬倍。』

鑒於這對超大質量黑洞離地球有 25 億光年之遙,用光速也要 25 億年時間才能到達地球,也即是說,觀察遙遠天體就像時光機,我們現在所看到的「黑洞彼此圍繞旋轉」現象,是發生在 25 億年之前,那個時候地球仍只有原始生命,天體物理學家們相信這對黑洞可能早已對撞融合,只是引力波還沒到達地球而已。

探測超大質量黑洞對的引力波信號將有助於解決天文學中一些最重要的問題,例如星系合併的機率以及超大質量黑洞對是否最終真的會對撞合併還是會彼此無止盡地旋轉下去。

black hole colliding

論文作者之一,普林斯頓大學 (Princeton University) 的 Jenny Greene 教授說:『目前天文學研究中有一個很尷尬的重要問題,目前我們仍不知道超大質量黑洞對是否最終會合併,觀察超大質量黑洞對的引力波信號對於黑洞物理學是一個需要解決的長期難題。』

超大質量黑洞一般具有數百萬甚至數十億的太陽質量。幾乎所有的星系,包括我們的銀河系,在中心部分一般都至少有一個這樣的龐然大物[否則不會形成星系]。當星系對撞合併時,它們的超大質量黑洞相遇並開始相互繞行。隨著時間的推移,星際氣體和恆星會在黑洞之間穿過並攝取能量,造成黑洞繞行軌道逐步收緊。

然而,一旦超大質量黑洞對足夠接近,恆星和星際氣體就無法繼續盜竊能量了。一些理論研究表明,黑洞繞行軌道會在大約一個 Parsec 差距的位置[大約 3.2 光年]停滯收縮。這種停滯幾乎是無限期的。若真如此的話,那對超大質量黑洞最終就不會融合,要有非常罕見的三個或更多超大質量黑洞群才會最終碰撞合併,如果超大黑洞對真的不會碰撞合併,天文學家預計宇宙中會充滿來自超大質量黑洞對的引力波噪音。

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論文第一作者 Andy Goulding 博士說,『這種噪音被稱為引力波背景,就像夜晚蟋蟀唧唧喳喳地亂叫,你無法區分每一個蟋蟀的叫聲,但是全部叫聲的大小可以幫助估計到底有多少隻蟋蟀。但是如果兩個超大質量黑洞對最終碰撞合併,在合併時它們會發出非常大的巨響。不過這樣的事件非常短暫也非常罕見,所以我們不一定能發現它。』

研究團隊使用哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)探測到了這兩個黑洞。儘管透過光學望遠鏡無法直接看到超大質量黑洞,但是可以看到聚集在黑洞對附近的明亮恆星團和被黑洞強大引力拖入的高溫星際氣體。經過分析,研究團隊發現該系統包含兩個巨大的黑洞。

更進一步,研究團隊分析了這一發現對引力波背景的影響,並估計了在目前可探測範圍內到底有多少超大質量黑洞對。根據模型結果,研究團隊預計大約有 112 個附近的超大質量黑洞對在發射出引力波。這個模型可以幫助科學家估計附近有多少超大質量黑洞正在發射我們現在可以探測到的引力波。

 

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