茫茫宇宙，無數(shù)星系與黑洞穿梭，它們是自得其樂、相安無事，還是暗自較量、劍拔弩張?
近日，有科學家發(fā)現(xiàn)，在距離地球約8900萬光年的寶瓶座NGC 7727星系中心，隱藏著一對即將并合的超大質(zhì)量黑洞。在華中科技大學物理學院教授雷衛(wèi)華看來，這意味著，一場目前離地球最近的“宇宙車禍”在所難免，傷亡情況會如何，可能需要億萬年時間守候觀測。
星系或都“藏匿”超大質(zhì)量黑洞
“同星系中兩顆恒星會發(fā)生并合一樣，星系團中的星系發(fā)生‘碰撞’的概率也很高。”雷衛(wèi)華說，兩個天體相互碰撞的概率與它們分布的密集程度有關(guān)，可以用兩個天體的平均距離與天體直徑的比值來反映，比值越大則越稀疏，發(fā)生碰撞概率越小。
雷衛(wèi)華介紹，對于太陽系內(nèi)的行星而言，這個比值約為十萬，銀河系中恒星的比值約為百萬，而星系團內(nèi)星系之間的平均距離大約僅是星系直徑的幾十倍，相對而言分布更為密集，相互碰撞的概率更高，這在宇宙中十分普遍。
科學觀測表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬到百億太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。如觀測銀河系中心數(shù)十顆恒星的運動，通過恒星動力學方法測定銀心存在一顆約400萬個太陽質(zhì)量的黑洞。
針對星體來說，只有超大質(zhì)量黑洞才能較高效率把吞噬物質(zhì)的引力能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛?，方可解釋這種極端天體。
“越來越多證據(jù)表明，可能每個星系中心都隱藏著一顆超大質(zhì)量黑洞。”雷衛(wèi)華表示，早在2017年，天文學家便利用視界望遠鏡，首次拍攝到距離地球5600萬光年的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞(約60億太陽質(zhì)量)的陰影。
雷衛(wèi)華說，更大的新星系伴隨星系“碰撞”產(chǎn)生，星系中心將形成間距1到100千秒差距(1秒差距約為3.26光年)的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。
目前，科學家們觀測這類超大質(zhì)量雙黑洞，主要有以下幾種直接或間接方式：通過高分辨率多波段觀測，或是雙黑洞軌道進動導致特性星系的形態(tài)，或是稍小黑洞穿過大黑洞吸積盤時所產(chǎn)生的準周期性光變，或是雙黑洞產(chǎn)生的譜線雙峰結(jié)構(gòu)，或是雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等。
隨后，超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的演化分為三個階段。首先，雙黑洞各自與周圍物質(zhì)和恒星相互作用，逐漸靠近;其次，通過動力學摩擦和拋射恒星等過程，雙黑洞距離進一步減小，但隨著周圍恒星被逐漸拋射掉，雙黑洞靠近變得越來越困難，形成“最終秒差距問題”，可以通過考慮星系并合形成非球?qū)ΨQ物質(zhì)分布等方式解決;最后，如果兩顆黑洞靠得非常近，其軌道演化將由引力波輻射主導，導致超大質(zhì)量雙黑洞快速演化直至最終發(fā)生并合。
超大質(zhì)量黑洞“掐架”常有發(fā)生
雷衛(wèi)華說，這次發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量雙黑洞距離我們只有8900萬光年，是目前為止已發(fā)現(xiàn)的、距離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。
在此之前，科學家探測到離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞位于4.7億光年之遙的星系NGC 6240，比NGC 7727遠6倍左右。研究還發(fā)現(xiàn)，NGC 7727本身就是兩個小的漩渦星系在大約10億年前“碰撞”的結(jié)果。
雷衛(wèi)華認為，NGC 7727離地球如此之近，為科學家們提供了研究超大質(zhì)量雙黑洞絕佳機會。
通過高分辨率光譜觀測，可以分辨出黑洞周圍的恒星動力學信息。科學家們首次直接測出這兩個超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，分別為1.5億太陽質(zhì)量和630萬太陽質(zhì)量。同時，分辨出這兩個超大質(zhì)量雙黑洞相距只有500秒差距(約1600光年)。
“這是首個用動力學方法，確認間距小于千秒差距的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。”雷衛(wèi)華說。
間距如此之小，意味著NGC 7727中心超大質(zhì)量雙黑洞將會很快并合。雷衛(wèi)華介紹，這個“很快”是相對宇宙演化而言，實際上在2.5億年后，大概相當于太陽系繞銀河系一周再次回到現(xiàn)在位置所需時間，“我們肯定是無法見證這一壯觀的并合過程。”
事實上，科學家們不止一次發(fā)現(xiàn)即將并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及一些通過其它方式(多為利用雙黑洞導致的簡接效應(yīng))發(fā)現(xiàn)的候選體，但因觀測的不確定性，這些源是否為超大質(zhì)量雙黑洞本身就存在較多爭議，且這些源都離地球太遠，由此對雙黑洞間距、并合時間的估計更加不確定。
雷衛(wèi)華說，這次科學發(fā)現(xiàn)極具吸引力，一旦最終確認，具有重要科學意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞距離正好處于最終通過引力波輻射而損失軌道角動量形成并合雙黑洞之前的階段，這個階段對研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)演化至關(guān)重要。其自身蘊含著豐富的電磁輻射現(xiàn)象，可能出現(xiàn)如兩個明亮的X射線核或射電核、周期性光變、雙峰發(fā)射線等特征。
同時，該發(fā)現(xiàn)也強烈暗示，在本地宇宙中，存在很多類似這樣的超大質(zhì)量雙黑洞等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。研究這些系統(tǒng)，對我們了解未來銀河系與仙女座星系并合幫助很大。
銀河系“車禍”不會殃及地球
科學家們一致認為，并合的結(jié)果是在星系中心誕生一個質(zhì)量更大的超大質(zhì)量黑洞，這是黑洞增長形成超大質(zhì)量黑洞的主要途徑。
雷衛(wèi)華說，與恒星級雙黑洞并合一樣，星系中心超大質(zhì)量雙黑洞并合也會產(chǎn)生很強的引力波輻射。2016年，美國激光干涉引力波天文臺首次直接探測到恒星級質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件(GW150914)，開啟了引力波天文學新紀元。
雷衛(wèi)華介紹，超大質(zhì)量雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波頻率為納赫茲到毫赫茲，不在地面引力波探測器激光干涉引力波天文臺的頻率探測范圍。對于百萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞的并合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，這是未來空間低頻引力波探測器，如我國的天琴、太極和歐洲的LISA項目主要的探測對象。而幾億到幾十億太陽質(zhì)量的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率在極低頻(納赫茲到微赫茲)，只能通過脈沖星計時陣列進行探測。
“這種并合對整個星系而言，并無毀滅性影響。”雷衛(wèi)華肯定地說，星系中恒星之間的距離，相對恒星大小來說非常遙遠，兩個星系中恒星相互碰撞的概率極低，因此這類并合不會導致大量恒星對撞的災(zāi)難場面。
他認為，銀河系與同處本星系團的仙女座星系并合尚且如此，距離8900萬光年的NGC 7727更加不用擔心。并合除產(chǎn)生較強的低頻引力波輻射，及導致星系形態(tài)的變化之外，不會對地球構(gòu)成影響。
超大質(zhì)量雙黑洞在宇宙中存量大，很多產(chǎn)生的引力波太弱而無法分辨，這些信號疊加形成引力波背景噪聲?？茖W家們通過探測這些引力波背景，估算有多少超大質(zhì)量雙黑洞正在向地球輻射引力波。
目前，天文學家已經(jīng)觀測到不少黑洞并合的“宇宙車禍現(xiàn)場”。這種并合是星系增長的主要方式，研究表明，大質(zhì)量星系可能是次級星系多次并合的結(jié)果。并合也是星系形態(tài)形成的原因，碰撞過程中星系中氣體壓縮，觸發(fā)大量恒星快速形成，星暴星系由此形成。
同時，部分特殊形態(tài)的星系，如車輪星系可能是一個小星系垂直穿過一個大漩渦星系的結(jié)果。也有研究指出，約40億年后，銀河系將與同處于本星系群的仙女座星系(距離地球250萬光年)發(fā)生碰撞，并合為一個星系。
雷衛(wèi)華認為，即使那一天到來，也不用太擔心仙女座星系的恒星會撞擊太陽或地球，相對恒星直徑而言，恒星的距離實在太遙遠。
責任編輯：Rex_01
