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星系中心有些黑洞會成對——但是探測這些成對的黑洞并不容易 宇宙中的雙黑洞有多普遍？從百年天文歷史數據中，尋找雙黑洞存在的跡象 尋找雙黑洞——活躍星系核中發出的周期性信號，會是雙黑洞存在的證據嗎  一些黑洞因受重力約束，而繞彼此旋轉，如模擬圖所示。 （圖片來源：極端時空模擬/激光干涉儀引力波天文臺） 本文首發于《對話》學術雜志，并轉載在space。com “太空網”的“專家之聲：評論與見解”中。作者馬可。阿耶羅是南卡羅來納州克萊姆森大學的物理和天文學教授，喬納森·扎拉克目前也在該校任物理學助理教授。  每一個星系的中心都有一個超大質量黑洞，正如每個雞蛋都有一個蛋黃。但有時，母雞會下有兩個蛋黃的蛋。同樣，像我們這樣研究超大質量黑洞的天體物理學家們，也希望能在某些星系的中心找到雙黑洞系統——既兩個相互繞轉在一起的超大質量黑洞。 黑洞是太空中的強引力區域，其引力強烈到甚至連光都無法從其附近逃脫。當一顆大質量恒星從內部核心坍縮時，就會形成黑洞。然后，這個黑洞就像個宇宙吸塵器一樣開始運作。而這種超大黑洞的質量，是太陽質量的百萬倍甚至更大。我們這些科學家們研究它們，以了解引力是如何運作，以及星系是如何形成的。  弄清楚一個星系的中心是有一個還是有兩個黑洞，并不像打碎一個雞蛋來檢查里面有幾個蛋黃那么容易。但是，測量這種超大質量雙黑洞系統出現的頻率，仍然可以幫助研究人員了解星系合并時會發生什么。 在一項新研究中，我們的團隊挖掘了一百多年來的天文歷史數據。我們從不同星系發出的光線中，尋找雙超大質量黑洞系統存在的跡象。  星系碰撞與引力波 像我們銀河系這樣的星系，其年齡幾乎和宇宙一樣古老。但有時，這些星系會與其他星系相撞，導致星系合并，從而形成一個更大、更重的星系。 而在兩個合并星系的中心，會各自都有一個黑洞。從而當這兩個星系的黑洞足夠接近時，它們可能會形成一對受引力束縛的黑洞。這對黑洞可能會存在數億年，直至兩個黑洞最終合二為一。  這樣的雙黑洞，會以引力波的形式釋放能量——這是專業天文臺可以探測到的時空漣漪。根據愛因斯坦的廣義相對論，這些時空漣漪以光速傳播，從而導致周圍的空間本身像波浪一樣起伏——即伸展和擠壓。 引力波的存在，可以通過脈沖星來進行探測。脈沖星是坍縮恒星的致密明亮核心，通常在脈沖星計時陣列中使用。脈沖星旋轉得非常快，并發射出周期性的無線電波。通過尋找這種周期性無線電波中的間隙和異常，可以探測到引力波的存在。 脈沖星計時陣列可以探測到過去 90 億年內，宇宙中雙黑洞系統整體發出的集體引力波信號。但其靈敏度，仍不足以探測到單個星系中單個雙黑洞系統發出的引力波信號。即使是最強大的望遠鏡，也無法直接對這些雙黑洞進行成像。因此，天文學家必須使用其他巧妙的間接方法，來確定一個星系中心是否存在有超大質量雙黑洞。 尋找雙黑洞存在的跡象 一種間接方法，是尋找來自活躍星系中心的周期性信號。這些活躍星系發射的能量，遠遠超過天文學家根據它們所含的恒星、氣體和塵埃數量所預期的能量。  這些星系從它們的核心或中心（稱為活躍星系核）發射能量。在一個稱為吸積的過程中，每個活躍星系中的黑洞利用重力將附近的氣體拉向內部。氣體在接近黑洞事件視界時會加速——就像漩渦周圍的水向內旋轉得越來越快一樣。 隨著溫度升高，這些氣體會在可見光、紫外線和 X 射線光下發出明亮的光芒。所以活躍星系核是宇宙中最明亮的物體之一。 一些活躍星系核可以發射噴流。噴流是加速到接近光速的粒子束。當這些噴流與我們的天文臺的視線對齊時，它們會顯得非常明亮，就像宇宙燈塔。  一些活躍星系核擁有周期性的光信號，這些光信號會變亮、變暗，再次變亮。這一獨特的信號，可能來自內部兩個超大質量黑洞的周期性運動。據此，天文學家可以在這種星系中尋找雙黑洞系統。 搜尋雙黑洞系統 我們的團隊研究了一個稱為 PG 1553+153的活躍星系核。從該核發出的光，大約每 2。2 年就變亮和變暗一次。 這種周期性變化，暗示PG 1553+153 內部可能存在一對超大質量的雙黑洞。當然，雙黑洞也不是這種變化的唯一解釋。其他現象，如搖擺不定的噴流，或黑洞周圍物質流動的變化等，也能在沒有雙黑洞的情況下解釋這種模式。因此，我們必須首先排除這些其他解釋。  為了了解 PG 1553+153 系統的光發射模式是否來自雙黑洞，我們模擬了超大質量雙黑洞收集氣體的過程。我們的模型表明，在一些時候，當黑洞吸入氣體時，密集的氣體團塊會聚集在黑洞周圍。 我們的計算表明，這些氣體團塊圍繞兩個黑洞旋轉所需的時間，應該是兩個黑洞相互旋轉所需時間的 5 到 10 倍。 因此，我們最終有了一個可以對之進行檢驗的明確預測。即如果雙黑洞系統導致 PG 1553+153 出現 2。2 年的周期性變化，那么對于氣體團塊圍繞黑洞的旋轉，我們就應該能夠看到一個更長周期的變化模式，即大約每 10 到 20 年為一個周期。 但要確定這是否真的是一種周期性模式，我們需要重復觀察四到五個周期。即對于 PG 1553+153，這將是 40 到 100 年。  天文學家們已經觀測天空數百年了。但是，數字天文學的時代才剛剛開始。也就是說，天文圖像被記錄在計算機上并保存在數據庫中，大約是從公元2000 年才開始的。 在此之前，大約從 1850 年開始，天文學家就在黑膠底片上記錄天空的圖像。這些涂有感光化學層的平板玻璃，傳統上用于攝影。世界各地的許多天文臺都存有可追溯到一百多年前的夜空照片。而更早之前，天文學家則是在筆記本上勾勒出天空的樣子。 像哈佛大學的 DASCH（哈佛數字訪問天空世紀）這樣的項目，已經開始將一些天文臺的攝影膠片數字化，以便科學家和非科學家們都能使用。 我們的團隊了解到，DASCH 數據庫提供了可追溯到 1900 年的 PG 1553+153 數據，這超過了120 年。我們使用這個數據集，來看看是否可以觀測到每 10 到 20 年重復一次的模式。  結果令我們有些驚訝的是，我們發現了一個 20 年周期的模式。這為我們的理論提供了更多證據，以支持 PG 1553+153 的核心存在一個雙黑洞系統的假設。這一模式的發現，還使我們計算出兩個超大質量黑洞的質量比為 2。5:1——其中一個是另一個的 2。5 倍——并且它們的軌道幾乎是圓形的。 雖然這些歷史數據讓我們更加相信PG 1553+153 中可能存在兩個超大質量黑洞。但我們仍然不能完全確信。最終的確定可能需要等到脈沖星計時陣列變得足夠靈敏，從而可以探測到來自 PG 1553+153 的引力波那時為止。 本文由 《對話》雜志提供。 BY:馬可。阿耶羅 FY: Asis Rui 如有相關內容侵權，請在作品發布后聯系作者刪除 轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處 選文：天文志愿文章組- 翻譯：天文志愿文章組- Asis Rui（QQ號76545977；QQ昵稱：Asis） 審核：天文志愿文章組- 終審：天文志愿文章組-零度星系 排版：天文志愿文章組-零度星系 美觀：天文志愿文章組- 參考資料 1.WJ百科全書 2.天文學名詞 3.原文來自：https://www./the-universe/some-black-holes-at-the-centers-of-galaxies-have-a-buddy-but-detecting-these-binary-pairs-isnt-easy 注意：所有信息數據龐大,難免出現錯誤,還請各位讀者海涵以及歡迎斧正. 本文由天文志愿文章組- Asis Rui翻譯自文章作者Marco Ajello的作品,如有相關內容侵權,請在作品發布后聯系作者刪除. 結束,感謝您的閱讀與關注 全文排版：天文在線(零度星系) 轉載請取得授權,并注意保持完整性和注明出處 浩瀚宇宙無限寬廣 穹蒼之美盡收眼底 |
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