星系或“藏匿”超大質(zhì)量黑洞 銀河系“車(chē)禍”不會(huì )殃及地球

茫茫宇宙，無(wú)數星系與黑洞穿梭，它們是自得其樂(lè )、相安無(wú)事，還是暗自較量、劍拔弩張?

近日，有科學(xué)家發(fā)現，在距離地球約8900萬(wàn)光年的寶瓶座NGC 7727星系中心，隱藏著(zhù)一對即將并合的超大質(zhì)量黑洞。在華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛華看來(lái)，這意味著(zhù)，一場(chǎng)目前離地球最近的“宇宙車(chē)禍”在所難免，傷亡情況會(huì )如何，可能需要億萬(wàn)年時(shí)間守候觀(guān)測。

星系或都“藏匿”超大質(zhì)量黑洞

“同星系中兩顆恒星會(huì )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。”雷衛華說(shuō)，兩個(gè)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(gè)天體的平均距離與天體直徑的比值來(lái)反映，比值越大則越稀疏，發(fā)生碰撞概率越小。

雷衛華介紹，對于太陽(yáng)系內的行星而言，這個(gè)比值約為十萬(wàn)，銀河系中恒星的比值約為百萬(wàn)，而星系團內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(xué)觀(guān)測表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬(wàn)到百億太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。如觀(guān)測銀河系中心數十顆恒星的運動(dòng)，通過(guò)恒星動(dòng)力學(xué)方法測定銀心存在一顆約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。

針對星體來(lái)說(shuō)，只有超大質(zhì)量黑洞才能較高效率把吞噬物質(zhì)的引力能轉變?yōu)檩椛?，方可解釋這種極端天體。

“越來(lái)越多證據表明，可能每個(gè)星系中心都隱藏著(zhù)一顆超大質(zhì)量黑洞。”雷衛華表示，早在2017年，天文學(xué)家便利用視界望遠鏡，首次拍攝到距離地球5600萬(wàn)光年的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞(約60億太陽(yáng)質(zhì)量)的陰影。

雷衛華說(shuō)，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。

目前，科學(xué)家們觀(guān)測這類(lèi)超大質(zhì)量雙黑洞，主要有以下幾種直接或間接方式：通過(guò)高分辨率多波段觀(guān)測，或是雙黑洞軌道進(jìn)動(dòng)導致特性星系的形態(tài)，或是稍小黑洞穿過(guò)大黑洞吸積盤(pán)時(shí)所產(chǎn)生的準周期性光變，或是雙黑洞產(chǎn)生的譜線(xiàn)雙峰結構，或是雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等。

隨后，超大質(zhì)量雙黑洞系統的演化分為三個(gè)階段。首先，雙黑洞各自與周?chē)镔|(zhì)和恒星相互作用，逐漸靠近;其次，通過(guò)動(dòng)力學(xué)摩擦和拋射恒星等過(guò)程，雙黑洞距離進(jìn)一步減小，但隨著(zhù)周?chē)阈潜恢饾u拋射掉，雙黑洞靠近變得越來(lái)越困難，形成“最終秒差距問(wèn)題”，可以通過(guò)考慮星系并合形成非球對稱(chēng)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

雷衛華說(shuō)，這次發(fā)現的超大質(zhì)量雙黑洞距離我們只有8900萬(wàn)光年，是目前為止已發(fā)現的、距離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞系統。

在此之前，科學(xué)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，NGC 7727本身就是兩個(gè)小的漩渦星系在大約10億年前“碰撞”的結果。

雷衛華認為，NGC 7727離地球如此之近，為科學(xué)家們提供了研究超大質(zhì)量雙黑洞絕佳機會(huì )。

通過(guò)高分辨率光譜觀(guān)測，可以分辨出黑洞周?chē)暮阈莿?dòng)力學(xué)信息?？茖W(xué)家們首次直接測出這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，分別為1.5億太陽(yáng)質(zhì)量和630萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量。同時(shí)，分辨出這兩個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞相距只有500秒差距(約1600光年)。

“這是首個(gè)用動(dòng)力學(xué)方法，確認間距小于千秒差距的超大質(zhì)量雙黑洞系統。”雷衛華說(shuō)。

間距如此之小，意味著(zhù)NGC 7727中心超大質(zhì)量雙黑洞將會(huì )很快并合。雷衛華介紹，這個(gè)“很快”是相對宇宙演化而言，實(shí)際上在2.5億年后，大概相當于太陽(yáng)系繞銀河系一周再次回到現在位置所需時(shí)間，“我們肯定是無(wú)法見(jiàn)證這一壯觀(guān)的并合過(guò)程。”

事實(shí)上，科學(xué)家們不止一次發(fā)現即將并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統，以及一些通過(guò)其它方式(多為利用雙黑洞導致的簡(jiǎn)接效應)發(fā)現的候選體，但因觀(guān)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(shí)間的估計更加不確定。

雷衛華說(shuō)，這次科學(xué)發(fā)現極具吸引力，一旦最終確認，具有重要科學(xué)意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞距離正好處于最終通過(guò)引力波輻射而損失軌道角動(dòng)量形成并合雙黑洞之前的階段，這個(gè)階段對研究超大質(zhì)量雙黑洞系統演化至關(guān)重要。其自身蘊含著(zhù)豐富的電磁輻射現象，可能出現如兩個(gè)明亮的X射線(xiàn)核或射電核、周期性光變、雙峰發(fā)射線(xiàn)等特征。

同時(shí)，該發(fā)現也強烈暗示，在本地宇宙中，存在很多類(lèi)似這樣的超大質(zhì)量雙黑洞等待我們去發(fā)現。研究這些系統，對我們了解未來(lái)銀河系與仙女座星系并合幫助很大。

銀河系“車(chē)禍”不會(huì )殃及地球

科學(xué)家們一致認為，并合的結果是在星系中心誕生一個(gè)質(zhì)量更大的超大質(zhì)量黑洞，這是黑洞增長(cháng)形成超大質(zhì)量黑洞的主要途徑。

雷衛華說(shuō)，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(huì )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(kāi)啟了引力波天文學(xué)新紀元。

雷衛華介紹，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(wàn)太陽(yáng)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(lái)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(yáng)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(guò)脈沖星計時(shí)陣列進(jìn)行探測。

“這種并合對整個(gè)星系而言，并無(wú)毀滅性影響。”雷衛華肯定地說(shuō)，星系中恒星之間的距離，相對恒星大小來(lái)說(shuō)非常遙遠，兩個(gè)星系中恒星相互碰撞的概率極低，因此這類(lèi)并合不會(huì )導致大量恒星對撞的災難場(chǎng)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(wàn)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(huì )對地球構成影響。

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(wú)法分辨，這些信號疊加形成引力波背景噪聲?？茖W(xué)家們通過(guò)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(xué)家已經(jīng)觀(guān)測到不少黑洞并合的“宇宙車(chē)禍現場(chǎng)”。這種并合是星系增長(cháng)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果。并合也是星系形態(tài)形成的原因，碰撞過(guò)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(shí)，部分特殊形態(tài)的星系，如車(chē)輪星系可能是一個(gè)小星系垂直穿過(guò)一個(gè)大漩渦星系的結果。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(wàn)光年)發(fā)生碰撞，并合為一個(gè)星系。

雷衛華認為，即使那一天到來(lái)，也不用太擔心仙女座星系的恒星會(huì )撞擊太陽(yáng)或地球，相對恒星直徑而言，恒星的距離實(shí)在太遙遠。(科技日報記者 吳純新 通訊員 王瀟瀟)

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