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引力波是什么 竟然能将黑洞甩出去

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发表于 2017-3-24 21:56:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
宇宙之大,无奇不有。最近,天文学家利用哈勃太空望远镜在宇宙中发现了一个极其不可思议的现象:一颗超大质量黑洞居然被逐出了星系中央。据估计,这颗超大质量黑洞的质量相当于太阳的10亿倍。于是,它一举摘下了迄今为止所发现的最大的流浪黑洞这一殊荣。这究竟是怎么一回事呢?



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哈勃太空望远镜拍摄的3C 186


实际上,研究人员最初是从哈勃太空望远镜的观测中发现这颗超大质量黑洞的迹象的。在距离地球约80亿光年的一个星系中,哈勃拍摄到了一个明亮的类星体3C 186。类星体被认为是遥远星系中央的超大质量黑洞吞噬物质时爆发出超强能量而产生的现象。然而,3C 186的特别之处在于,它所在的位置竟远离星系中央。研究人员当时就被惊呆了。难道这个星系的超大质量黑洞离家出走了?

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随后,研究人员结合了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线望远镜和斯隆数字巡天的观测,从X射线波段到紫外波段再到近红外波段上的所有数据都指向了相同的结果——这绝对是一颗流浪的超大质量黑洞。他们对如此诡异的现象完全大出所料。


基于哈勃和斯隆的观测,研究人员估算出了这颗黑洞的质量以及其周围气体的运动速度。结果又一次让人大跌眼镜,这颗黑洞的质量居然高达太阳的10亿倍,而黑洞周围的气体正以470万英里/小时的超高速度飞离星系中央。这意味着,在这个神奇的星系中,它的10亿倍太阳质量的超大质量黑洞正在以470万英里/小时的速度飞奔而去。按这样的速度,这颗任性的黑洞只需2000万年就会逃出星系,并继续它的离家出走之旅。


那么,到底是怎样神秘的力量造就了如此惊人的现象呢?研究人员估计,这需要用到相当于1亿颗超新星爆发产生的能量。在人类目前的认知范围内,两大黑洞合并产生的引力波成为了这一超强能量来源的最合理解释。引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种神奇现象,直到2015年才被科学家从两颗恒星型黑洞的合并中观测到。


在经过了长期的分析后,研究人员对本次事件作出了解释。他们的猜想指出,这颗超大质量黑洞的离家出走源自两大星系的合并。具体情形是这样的:

随着这两个星系的合并,它们各自的超大质量黑洞逐渐靠近,并相互旋转产生引力波。由于这两颗超大质量黑洞的质量和旋转速率存在差异,导致它们在某一特定方向产生的引力波更强。当两者因碰撞而合二为一时,突然停止产生引力波。于是,这颗合并后的黑洞沿着原来引力波最强的反方向弹射而出。嗯,这和发射火箭很像!最终,合并后的星系形成一个新的椭圆星系,而合并后的黑洞则向外飞奔而去。这就是我们现在所看到的奇观。


这样的现象在宇宙中是非常罕见的。首先,星系合并本来就是一个漫长的过程,而且也不一定会导致各自超大质量黑洞的碰撞。其次,就算两个超大质量黑洞相遇了,两者的质量和旋转速率必须存在一定的差异才能造成上述的不对称性。

接下来,研究人员希望再次利用哈勃太空望远镜,并结合阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列对3C 186进行观测,对其进行更为详细深入的研究。


最近一个国际天文科研小组发现,在一个距离地球十分遥远的星系3C186里,一个超大质量黑洞被甩出了星系中心。这个黑洞很有可能是被引力波产生的能量甩出去的。这是天文学家首次发现一个超大质量黑洞可以离其宿主星系的中心如此遥远。

虽然此前人们发现过类似离家出走的黑洞,但从未得到过确凿的证据。这些天文学家运用哈勃太空望远镜,在离其宿主星系中心35000光年远处,发现了这个质量为太阳十亿倍的黑洞。据估算,要把它甩得这么远,所需的能量大约相当于1亿颗超新星。

星系3C186距离地球大约80亿光年,它同时是一个明亮的类星体。类星体的闪光来自星系中心黑洞吞噬物质时释放出的能量。超大质量黑洞一般都位于星系中心,但3C186的闪光偏离了星系中心。在天文学家眼里,这是一件极不寻常的事情。

制造出这个类星体的黑洞和其宿主星系中心的距离,已经比太阳和银河系中心的距离还要遥远。它还在以每小时750万千米的速度高速飞行。若我们以此速度从地球出发,到达月球只需3分钟。

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两个黑洞并合过程示意。(NASA)


科学家针对这个黑洞究竟因何被踢出星系中心提出了多个解释方案,但最有可能的一种情形是,它是被引力波甩出去的。这样的引力波产生两个大质量黑洞的并合。科学家在星系身上观察到了弧形的潮汐尾,这样的潮汐尾是两个融合过程中的星系在引力的影响下产生的。


科学家认为,在我们所见情形的大约10亿至20亿年前,两个中心都拥有大质量黑洞的星系融合成了一个椭圆星系。随后这两个黑洞又在椭圆星系的中心发生了并合,并合的黑洞在时空中产生了如同涟漪一般的引力波。但这两个黑洞的质量和自旋参数间存在较大差距,导致引力波在某个方向上更强。不对称的引力波辐射就这样把并合后产生的黑洞踢出了星系中心。

假如这个推论是正确的,那么人们就获得了一个非常强有力的证据,表明超大质量黑洞确实也是能够发生并合的。此前人们只掌握了恒星级黑洞并合的证据,超大质量黑洞的并合机制更加复杂,而且人们至今仍未全面了解。

学者们在茫茫太空中捕获这一罕见的事件实属幸运,因为并非所有黑洞并合事件都会产生不对称的引力波。科研小组计划作进一步的观测,以获得与黑洞运动速度、黑洞积吸盘等有关的更为精确的数据,最终洞察这一罕见天体的本质。

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