天文学家发现一个可能的遥远的黑洞合并

2018-05-16

em在一份新发表的研究报告中,一组天文学家详细描述了一个遥远类星体的异常重复光信号,他们认为这很可能是合并最后阶段的两个超大质量黑洞的结果 - 这是从理论,但以前从未观察过。 / em

包括我们自己的银河系在内的许多闪闪发亮的星系的中心区域都拥有无法穿透的黑暗核心 - 黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿的太阳。更重要的是,这些超大质量黑洞和它们的主星系似乎一起发展,或“共同演化”。理论预测,随着星系相互碰撞和合并,越来越大,黑暗的心也越来越大。

黑色洞本身是不可能看到的,但是它们的重力可以拉入周围的气体中,形成一个旋涡状的物质层,称为吸积盘。旋转的粒子被加速到巨大的速度,并以热量和强大的X射线和伽玛射线的形式释放出大量的能量。当这个过程发生在一个超大质量黑洞中时,结果就是一个类星体 - 一个极其明亮的物体,超越了其主星系中所有的恒星,并且可以从宇宙中看到。 “类星体是对星系及其中心黑洞演化的宝贵探索,”加州理工学院天文学教授兼数据驱动发现中心主任乔治·德约戈夫斯基说。

在1月7日的“自然”杂志上,Djorgovski和他的合作者报道了一个遥远类星体的不寻常重复光信号,他们认为这很可能是合并最后阶段的两个超大质量黑洞的结果,从理论上讲,但从未观察过。这一发现有助于揭示天体物理学中一个长期存在的难题,称为“最终解析问题”,它指的是理论模型未能预测黑洞合并的最终阶段是什么样子,甚至可能需要多长时间采取。该研究的第一作者,加州理工学院高级计算科学家马修格雷厄姆说:“这些超大质量黑洞系统合并的最后阶段很难理解。” “发现一个似乎处于其进化后期的系统意味着我们现在可以对发生的事情进行观察。”

Djorgovski和他的团队在分析卡塔利娜实时瞬态测量(CRTS)的结果后,发现了类星体PG 1302-102发出的异常光信号,该公司在美国和澳大利亚使用三台地面望远镜,持续监测大约百分之八十夜空中散布的5亿个天体光源。 “目前还没有关于类星体变率的数据,这在以前就接近这个范​​围,”指导CRTS的Djorgovski说。 “过去,研究类星体变异性的科学家可能只能跟踪数十个或最多数百个具有有限测量数量的物体。在这种情况下,我们查看了二十五万个类星体,并能够为每一个类星体收集几百个数据点。“

美国宇航局喷气推进实验室的科学家丹尼尔斯特恩说:“到目前为止,在合并途中超大质量黑洞的唯一已知例子已经相距数十或数十万光年。” “在如此巨大的距离上,发生碰撞和合并需要数百万甚至数十亿年的时间。相比之下,PG 1302-102中的黑洞最多只有轻微年份的几百分之一,并可能在大约一百万年或更短时间内合并。“

Djorgovski和他的团队没有着手寻找黑洞兼并。相反,他们最初着手对类星体亮度变化的系统研究,希望找到有关其物理学的新线索。但是,在使用格雷厄姆开发的寻找模式算法筛选数据后,该团队发现了20颗似乎在发射周期性光信号的类星体。这是令人惊讶的,因为大多数类星体的光线曲线是混乱的 - 反映了吸积盘材料螺旋形成黑洞的随机性。 “你只是不希望看到来自类星体的周期性信号,”格雷厄姆说。 “当你这样做的时候,它脱颖而出。”

在CRTS确定的20个周期性类星体中,PG 1302-102就是最好的例子。它有一个强大,干净的信号,似乎每五年左右重复一次。 “它有一个非常好的光滑的上下信号,类似于正弦波,而且在类星体中从未见过,”格雷厄姆说。

该团队对跳到结论持谨慎态度。 “我们对此持怀疑态度,但也很兴奋,”佛蒙特州米德尔伯里学院物理学助理教授埃拉特格利克曼说。毕竟,科学家们看到的周期性可能仅仅是一个暂时的有序信号,而不是混沌信号。为了排除这种可能性,科学家们从以前的调查中提取了有关类星体的数据,并将其纳入分析。在考虑了历史观察数据(科学家们拥有近二十年关于类星体PG 1302-102的数据)后,重复的信号令人鼓舞地仍然存在。

在Glikman分析了类星体的光谱之后,团队的信心进一步增强。科学家们认为能量类星体的黑洞不会发光,但吸积盘中的气体在其周围旋转的速度非常快,因此它们会变成发热的等离子体。 “当你从一个物体的光谱中看到发射线时,你真正看到的是有关速度的信息 - 无论是有什么东西在向你移动或者离开你,还有多快。这是多普勒效应,“Glikman说。 “对于类星体,你通常有一个发射线,而该线是一条对称曲线。但是对于这个类星体,为了拟合数据,有必要增加一个与第一个类似的速度的第二个发射线。 “

哈佛大学天文系主任Avi Loeb同意团队的评估对于他们所看到的周期性信号来说,“紧”超大质量黑洞二进制是最可能的解释。 “有证据表明,发射源于黑洞周围非常紧凑的区域,并且该区域发射材料的速度至少是光速的十分之一,”未参与研究的勒布说。 。 “次要黑洞将是诱发该区域发射的周期性变化的最简单方式,因为较密集的物体,如星团,将被主黑洞的强烈重力所中断。”

除了对黑洞合并的最后阶段提供前所未有的一瞥外,这一发现也是一个遗嘱到“大数据”科学的力量,这里的挑战不仅在于收集高质量的信息,而且还在设计挖掘有用信息的方法。 “我们基本上是从拍摄整张天空的几张照片或重复观察天空中的小块片,一直拍摄整部天空的电影,”加州理工学院理论物理教授Sterl Phinney说。也没有参与这项研究。 “电影中的许多东西都不会做任何令人兴奋的事情,但也会有很多我们以前错过的有趣的东西。”

目前还不清楚什么是物理机制对类星体的重复光信号负责。格雷厄姆说,其中一种可能性就是类星体将物质从其吸积盘转移到像灯塔一样旋转的发光双等离子射流中。 “如果发光的飞机正在以规则的方式扫地,那么只有当他们直接指向我们时,我们才会看到它们。最终的结果是定期重复的信号,“格雷厄姆说。

另一种可能性是围绕两个黑洞的吸积盘变形。 “如果一个区域比其他区域厚,那么随着翘曲部分在吸积盘周围移动,它可能会定期阻挡来自类星体的光线。这将解释我们看到的信号的周期性,“格雷厄姆说。另一种可能性是吸积盘正在发生某种事情,导致它以规则的方式将物质转储到黑洞上,导致周期性的能量爆发。

格雷厄姆说:“尽管我们看到的周期性背后存在着许多可行的物理机制 - 无论是进动喷气式飞机,翘曲的吸积盘还是周期性倾倒,这些都是从根本上来说由一个紧密的二元系统造成的。”

与Djorgovski,Graham,Stern和Glikman一起,该论文的其他作者,“具有光学周期性的类星体中的一个可能的近距离超大质量黑洞二进制”,包括安德鲁·德雷克,计算科学家和CRTS天空调查的联合首席研究员在加州理工学院;加州理工学院计算天文学的科学家Ashish Mahabal;加州理工学院计算人员科学家Ciro Donalek;亚利桑那大学高级科学家史蒂夫拉森;和亚利桑那大学助理科学家Eric Christensen。这项研究的资金来自美国国家科学基金会。

出版物:Matthew J. Graham等人,“具有光学周期性的类星体中的可能的近距离超大质量黑洞二进制”,Nature,2015; DOI:10.1038 / nature14143

PDF研究副本:具有光学周期性的类星体中可能的密集超大质量黑洞二进制

来源:Ker Than,Caltech

图片:圣地亚哥Lombeyda,数据驱动的发现中心,加州理工学院