银河系中心不止一个黑洞?

银河系中心不止一个黑洞?

本文来自公众号:原理(ID:principia1687),作者: Smadar Naoz,Image by Genty from Pixabay  超大质量黑洞会有“朋友”吗?根据星系形成的本质来看,答案似乎肯定的。事实上,在宇宙中,

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本文来自公众号:原理(ID:principia1687),作者: Smadar Naoz,Image by Genty from Pixabay 

超大质量黑洞会有“朋友”吗?根据星系形成的本质来看,答案似乎肯定的。事实上,在宇宙中,成对的超大质量黑洞应该是很常见的存在。(一个质量超过太阳一百万倍的黑洞被我们称之为超大质量黑洞。)

隐藏在银河系中心的超大质量黑洞名为SgrA*,其质量大约是太阳的400万倍。黑洞是太空中引力强到无论是粒子还是光线都无法逃脱的地方。围绕着SgrA*的是一个密集的恒星群,精确地测量这些恒星的轨道能使天文学家确认这个超大质量黑洞的存在,并同时获悉它的质量。

20多年来,科学家一直在对这些围绕着超大质量黑洞的恒星轨道进行监测。根据观测结果,研究人员最新发现如果黑洞真的有个“朋友”,那么它很可能是我们附近的第二个黑洞,质量至少是太阳的10万倍。

银河系中心不止一个黑洞?插图

 在我们星系的中心是一个超大质量黑洞SgA*,其质量约为太阳质量的400万倍。| 图片来源:C. Carreau / ESA

1 超大质量黑洞和它们的朋友们

几乎每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞,我们的银河系就是一个例子。这些超大质量黑洞的质量是太阳的数百万到数十亿倍不等。目前,天文学家仍在研究为什么众多星系中心常常存在这样一个超大质量黑洞。一种流行的观点认为,超大质量黑洞可能有“朋友”。

为了理解这个观点,我们需要回溯到当宇宙大约只有1亿岁时,那是第一批星系出现的时代。当时的星系比现今天的要小得多,其质量大约只有银河系质量的万分之一。

在这些早期的星系中,质量约为太阳的数十倍到数千倍的第一批恒星在死亡之后创造了黑洞。这些黑洞下沉到引力的中心,也就是它们所在星系的中心。由于星系是通过合并和碰撞而演化的,星系之间的碰撞会导致超大质量黑洞对的形成——这便是这个故事的关键部分。之后,成对的黑洞会继续发生碰撞,体积也随之增大。

如果在超大质量黑洞的周围真的有一个“朋友”在它的近距离轨道上旋转,那么星系的中心就被锁定在一个复杂的相互运动中。“朋友”的引力也会对附近的恒星施以影响,干扰它们的轨道。也就是说,这两个相互环绕的超大质量黑洞,会同时对周围的恒星施以各自的引力。

两个黑洞的引力牵引着周围的恒星,使它们改变轨道;换句话说,绕着这一对超大质量黑洞公转一周之后的恒星,将无法完全回到它原始的位置。

天文学家可以基于对可能存在的超大质量黑洞对和周围恒星之间的引力相互作用的理解,对恒星的行为进行预测。他们可以将预测的结果与与观测结果进行比较,然后确定恒星的可能轨道,并推测出这个超大质量黑洞是否真的存在一个正在施加引力影响的同伴。

有一颗已经被天文学家深入研究过的恒星,名为S0-2,它位于星系中心,每16年绕中心的超大质量黑洞环绕一圈。通过研究这颗恒星,天文学家就可以获悉许多与这个可能存在的第二颗黑洞有关的信息,比如它的质量不可能高于100000倍的太阳质量,且它们之间的距离不可能大于200倍的地日距离,不然天文学家就能从SO-2的轨道上观测到这样一颗黑洞对其产生的影响。

但这并不意味着有一个更小的同伴黑洞不能继续隐藏在那里。它可能会以一种我们无法轻易探测到的方式影响着SO-2的轨道。

2 超大质量黑洞的物理学

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近来,超大质量黑洞吸引了众多关注,尤其是我们在今年看到了星系M87中心的黑洞图像之后,为我们理解黑洞背后的物理学又打开了一扇新的窗户。

银河系中心不止一个黑洞?插图(1)

 M87星系中心的超大质量黑洞的图片,也是我们所拥有的的第一张黑洞图片。| 图片来源:EHT Collaboration

在距离银河系中心只有24000光年之远的地方,是一个为解决这些与超大质量黑洞有关的基础物理学问题的独特实验场所。

例如,天体物理学家希望可以通过那片区域来了解它们对星系中心区域的影响,以及它们在星系形成和演化中所起到的作用。如果能在银河系的中心发现一对超大质量黑洞,则意味着在过去的某个时候,银河系曾与另一个可能很小的星系合并过。

这并不是对周围恒星进行监测所能告诉我们的全部。对恒星S0-2的测量使科学家得以对爱因斯坦的广义相对论进行一次独特的检验。

2018年5月,S0-2在距离超大质量黑洞仅为地日距离的130倍的位置疾驰而过。根据爱因斯坦的理论,当恒星从超大质量黑洞的引力阱中爬出时,它所发出的光的波长应该会被拉长。

爱因斯坦所预测的这种波长拉伸(使恒星看起来更红的现象)已经通过观测证实,并证明了广义相对论准确描述了在这种极端引力场中的物理现象。

我们将在大约16年之后与S0-2进行第二次近距离接触,那时,天体物理学家或许能更多地对爱因斯坦关于广义相对论的预言进行检验,其中包括他预测的恒星轨道被拉长的方向会发生改变。但如果超大质量黑洞周围还有一个同伴黑洞,就可能改变这个预结果。

银河系中心不止一个黑洞?插图(2)

由哈勃太空望远镜所拍摄的显示了两个大星系发生星系碰撞后的结果的图像。这个新的恒星群正在慢慢地演化成一个巨大的椭圆星系。| 图片来源:Hubble / ESA & NASA,特别鸣谢:Judy Schmidt

最后,如果星系中心真的有两个巨大的黑洞在相互环绕,那么它们会发射出引力波。自2015年以来,LIGO-Virgo天文台一直在探测由恒星质量的黑洞合并、中子星合并所产生的引力波辐射。这些开创性的发现为科学家探测宇宙开辟了一条新的路径。

从我们所假设的这个黑洞对所发射出的任何波的频率都将很低,低到无法被LIGO-Virgo的探测器探测到。不过,正在计划中的太空探测器LISA或许能够探测到这样的低频波,如此一来,天体物理学家或许就可以弄清楚,银河系中心的超大质量黑洞是独霸一方,还是有“朋友”相伴。

撰文:Smadar Naoz(加州大学洛杉矶分校物理与天文系副教授)

原文标题为“Supermassive black hole at the center of our galaxy may have a friend”,于2019年12月12日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/supermassive-black-hole-at-the-center-of-our-galaxy-may-have-a-friend-128295,中文内容略有编辑,仅供参考,一切内容以原文为准。

本文来自公众号:原理(ID:principia1687),作者: Smadar Naoz

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