引力波把超级黑洞从星系核心踢出

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2017-06-16 21:43:07 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:836次 ]

原文标题:Gravitational Wave Kicks Monster Black Hole Out Of Galactic Core

原文作者:Marco Chiaberge;Donna Weaver,Ray Villard

副标题:Runaway black hole is the most massive ever detected far from its central home

来自:哈勃官网; 发表时间:2017.3.23

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

2017.3.23:通常,超大质量黑洞稳居于星系的中央。因此,当研究者发现一个超级黑洞居然在星系郊外盘桓时会如何惊讶。虽然超级黑洞不能直接观测到,但是它是类星体的能量来源;类星体就是由超大质量黑洞驱动的活动星系核,其气体发出的辐射堪比整个星系。由美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜,就发现了这样一个远离星系核心的类星体。

哈勃拍摄的类星体3C 186。大图:467KB,版权:NASA、ESA,研究者团队,下同。

本图由哈勃第三代广域相机(WFC3)的紫外光学(UVIS)通道和近红外(IR)通道拍摄,伪彩配色:606nm的红光,蓝;1.4微米的近红外光,橙。

天文学家惊讶地在一个遥远星系中发现了,可能被强大的引力波踢出星系中央的超大质量黑洞。

虽然还有几例超级黑洞游离于星系中心之外,但从没有像本例这样远离的。天文学家认为,哈勃发现的本例,证据非常强而有力。这个质量超过10亿个太阳质量的超超级黑洞,是迄今发现的被踢出星系中心的最大黑洞。

研究者估计,把此黑洞踢出的能量,相当于1亿颗超新星爆发的能量总和!要产生如此巨大的能量,看似最可信的解释就是,在星系中心发生了两个超级黑洞的合并,合并中产生的强大引力波推动黑洞弹出了星系。

引力波由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)首先在《广义相对论》中预言,当两个大质量天体合并时,就会释放强大的引力波,在空间中以光速、像波浪一般传播,就像大石头投入池塘一样(产生波动的是空间本身,译注)。最近几年,激光干涉引力波探测仪(LIGO)帮助天文学家确认,当两个恒星级黑洞(太阳质量的数倍—数十倍)合并时,会产生足以被探测到的引力波。

研究报告插图,类星体的光谱分析。图中光谱分别是硅Si、氢Ly-α和氮N的红移光谱。红色为最贴合观测光谱线的模拟光谱,对应红移z=1.063。

哈勃观测到的这个任性黑洞,大大震惊了研究者。研究报告首席作者、马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所(STScI)兼约翰·霍普金斯大学(JHU)的Marco Chiaberge 解释道:“当我首次看到它,还以为看到了个怪物。我们比对了哈勃、钱德拉(X线图像)和斯隆数字巡天档案库,全都指向同一件事。我们收集的电磁波段从X线、紫外线到可见光、红外线,都清楚地表明,它的最大可能就是流浪黑洞。”

团队研究报告将刊登在2017.3.30出版的《天文学和天体物理学》期刊上。

哈勃的光学和近红外图像,提供了首个证据显示那个星系不正常。图像显示有个类星体,明显地偏离星系的核心。超级黑洞当然不能直接观测到,但它是类星体的中央能源,被加热的等离子体输出的强烈辐射,堪比整个星系。这个类星体,编号3C 186,其宿主星系所在的星系团,离我们远达80亿光年(研报数据,红移z=1.063)。团队在执行哈勃巡天项目、搜寻在星系合并的阵痛中爆发出了强大的能量辐射的星系,结果却意外发现了这个特别的星系。

马科(Marco)回忆道:“我期待发现大量的星系合并,看到围绕在类星体旁、外形凌乱的宿主星系。但是我们真的没有预想看到一个类星体,清楚地偏离一个外观规整星系的核心。超级黑洞通常都居于星系中央,所以本例真的非同寻常。”

团队根据正常椭圆星系的星光分布模拟,比对实际的哈勃数据,以分析类星体离星系核心有多远。结果,偏离值达到3.5万光年,比太阳到银河系核心的距离(2.6万光年)还远得多。

两个超级黑洞合并,产生引力波,并踢出合并后黑洞的示意图。大图:1.4MB

根据哈勃观测和斯隆数字巡天数据库的光谱数据,研究者估计超级黑洞的质量、对周围气体的吸积率。光谱分析能够用以测量天体的速度(根据红移值),团队成员、STScI 的Justin Ely 继续解说:“令我们惊讶的是,类星体周围的气体正以2140km/s(±390km/s)的速度远离星系中心。这也正是超级黑洞的远离速度,因为这些气体被黑洞引力牢牢束缚在其周围。”(速度根据类星体发射线红移值与星系红移值的差计算,数据来自研报,译注)

天文学家分析,超级黑洞的速度相当快,从地球到月球这点距离,只需3分钟(按简单推论,该超大质量黑洞的视界半径约30亿km,超过了天王星轨道,仅供参考,译注)。仅仅只要200万年,这个超级黑洞就将脱离星系,如幽灵般永久游荡在宇宙中。

哈勃图像还提供了有趣的线索,帮助解释黑洞所处的漫游位置。宿主星系有着暗淡的弧状结构特征,这是两个星系合并时引力撕扯产生的潮汐尾。这暗示3C 186与另一个也拥有超大质量黑洞的星系,曾经发生过合并。

基于这些光学证据,结合理论工作者的研究,天文学家发挥想象,给出这个怪兽级黑洞被驱除出星系核心的剧本:两个星系合并后成为新的椭圆星系,而两个星系的超级黑洞也最终合并为一体。随着两个超大质量黑洞互相绕转靠近,引力波就像草坪喷水一样荡漾开去。如果两个黑洞的质量和自转速率不同(相同才奇怪……),引力波就会在一个方向明显强于另一个方向。当两个黑洞最终合并后,引力波发射终止,但原先的时空波动还在,新生成的黑洞就弹回最强方向的反方向,这就像弹球游戏一样(引力波密度/梯度大的方向,无妨理解为更硬,译注)。

研究者幸运地观测到了这个特殊事件,因为大部分黑洞合并时的比例不会失调到能够把新生黑洞踢出星系的程度。团队成员、同是STScI兼JHU的科林·诺曼(Colin Norman)接着阐述:“这些不对称性质取决于合并前黑洞的质量和自转轴的相对方向等,这是此类事件很罕见的原因之一。”(当超级黑洞相对于原宿主星系的运动速度不大时,两者间的引力相互作用,能够使得它们最终协调稳定下来,译注)

对此现象还有另外一种解释,虽然该解释看起来更不寻常:明亮的类星体并非与宿主星系成协,它其实位于星系后方;但是哈勃图像给人以幻觉,它们是同一距离的。假如这个情节属实,研究者应该能探测到类星体本身所在的星系(果真如此,两者的红移值应该明显不同,这与观测数据不符啊,译注)。

假如研究者的前一种解释是正确的,本观测很可能提供了强烈证据,超级黑洞是能够合并的。天文学家已经有了恒星级黑洞合并的证据,但超大质量黑洞的合并过程非常复杂,我们仍不明了。

团队希望再次动用哈勃望远镜,并结合阿塔卡玛大型毫米/亚毫米射电阵列(ALMA)和其他顶级设备,更精准地测量黑洞和其周围气体盘的速度,以对此奇异天体有更深入的理解。

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