絕大部分星係中心都盤踞著一個(ge) 龐然大物——超大質量黑洞，其質量大約是數百萬(wan) 倍甚至數十億(yi) 倍太陽質量不等。

　　目前觀測數據顯示，每個(ge) 星係中心都有一個(ge) 超大質量黑洞，幾乎沒有例外。它們(men) 有著不同的狀態——有的正在吞噬物質、活躍異常；有的停止“進食”、安靜沉睡。

　　然而，最近的一項研究卻發現星係中心可能存在兩(liang) 個(ge) 超大質量黑洞。

　　近期，一個(ge) 國際研究團隊發現了11個(ge) 活躍星係的周期性伽馬射線暴發，其中2個(ge) 為(wei) 已知源，9個(ge) 為(wei) 新源。研究者認為(wei) 導致這一現象的原因可能有多種，其中一種便是這些星係的中心存在兩(liang) 個(ge) 超大質量黑洞。

　　該研究成果已發表在《天體(ti) 物理學》期刊上。

　　周期性變化信號或是重要特征

　　確定伽馬射線信號的周期性模式，就像是在狂風暴雨的海洋中找出由一艘小船駛過而引起的微小、有規則的波紋

　　眾(zhong) 所周知，黑洞引力巨大，連光也無法逃脫其“魔爪”。藏匿於(yu) 星係核心的超大質量黑洞，是如何被找到的？

　　事實上，黑洞處於(yu) 活躍的“進食”狀態時，其附近物質在被吞噬的過程中相互摩擦釋放能量，形成明亮的吸積盤；有部分物質可能在被“吃”之前沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，產(chan) 生噴流。

　　科學家就是通過觀測吸積盤或噴流釋放的電磁波信號，發現了這些隱匿在星係中心的黑洞。“通常情況下，科學家可通過光學波段電磁信號觀測黑洞吸積盤，而噴流的大部分能量則是以伽馬射線、X射線和射電輻射的形式釋放。”中國科學院國家天文台研究員陸由俊在接受科技日報記者采訪時表示。

　　在此次研究中，研究人員便是利用了美國國家航空航天局（NASA）費米太空望遠鏡長達9年的伽馬射線觀測數據，較為(wei) 係統地梳理了2000多個(ge) 星係中心的活躍黑洞信號，最終找出11個(ge) 具有周期性變化規律的伽馬射線源，變化周期平均2年左右。

　　“確定伽馬射線信號的周期性模式，就像是在狂風暴雨的海洋中找出由一艘小船駛過而引起的微小、有規則的波紋。”文章第一作者、西班牙馬德裏大學佩尼爾博士表示，這一研究結果或將支持星係中心存在兩(liang) 個(ge) 超大質量黑洞的觀點。

　　星係中心雙黑洞為(wei) 何可能會(hui) 導致周期性伽馬射線信號？陸由俊表示，可以從(cong) 以下兩(liang) 個(ge) 方麵來理解。

　　一方麵，雙黑洞相互擾動會(hui) 導致噴流亮度發生周期性變化。如果星係中心存在兩(liang) 個(ge) 相互繞轉的超大質量黑洞，二者周圍的吸積盤也會(hui) 周期性“轉圈”，落入黑洞中的物質質量也會(hui) 存在周期性變化規律，進而影響黑洞發射的噴流亮度，望遠鏡就會(hui) 接收到周期性伽馬射線信號。

　　另一方麵，雙黑洞繞轉也會(hui) 導致噴流的噴射方向發生周期性改變。就像地球同時存在公轉和自轉一樣，雙黑洞模型中，每個(ge) 黑洞都存在繞另一黑洞旋轉的軌道角動量，以及自身旋轉的自轉角動量。通常，軌道角動量和自轉角動量並不相同，二者耦合，自轉角動量會(hui) 在軌道角動量的擾動下發生周期性變化，噴流的方向也就會(hui) 隨之改變。想象一下，原本單一黑洞的噴流方向是固定的，然而由於(yu) 另一個(ge) 黑洞的擾動，原本方向固定的噴流在一個(ge) 周期內(nei) 以黑洞為(wei) 中心來回搖擺。由於(yu) 地球上的望遠鏡始終處於(yu) 觀測目標的某一特定方向，因此我們(men) 接收到的伽馬射線信號也時強時弱，具有規律性。

　　“除了伽馬射線，此前也有學者通過梳理吸積盤發射的光學波段信號，以周期性光變作為(wei) 雙黑洞存在的觀測依據。”陸由俊表示。

　　當然，導致觀測信號周期性變化的原因並非隻有雙黑洞，單一黑洞吸積盤或噴流的進動、黑洞吸積盤本身的準周期振蕩等也可能導致類似的周期性觀測結果。

　　早有推斷卻缺乏觀測“實錘”

　　雙黑洞以較高角速度相互繞轉，會(hui) 將靠近的恒星“踢走”，導致星係中心的恒星密度變低

　　其實，這並非是天文學家第一次提及雙黑洞模型觀點，數十年前就有學者提出過星係中心存在超大質量雙黑洞的理論推測，卻一直沒有在實際觀測中找到“實錘”。

　　“學界主流觀點認為(wei) ，兩(liang) 個(ge) 星係碰撞或合並後可能會(hui) 在星係中心形成超大質量雙黑洞係統。”陸由俊說。

　　天文學家此前已經觀測到過很多次兩(liang) 星係碰撞或合並，表明這種現象並不罕見，甚至在宇宙早期發生的頻率會(hui) 更高。例如，此前《自然》期刊上曾發表過一項研究成果，研究人員一次性發現了數個(ge) 星係合並的例子，星係中心黑洞也在相互靠近。雖然目前尚未形成真正意義(yi) 上的單星係雙黑洞係統，但經過未來長時間的演化，終將會(hui) 形成雙黑洞。

　　如果星係中心真的存在超大質量雙黑洞，會(hui) 給星係帶來怎樣的影響？

　　陸由俊告訴科技日報記者，雙黑洞以較高角速度相互繞轉，會(hui) 將靠近的恒星“踢走”，導致星係中心的恒星密度變低。觀測方麵，也會(hui) 出現前文提及的相關(guan) 電磁信號周期性變化，其光譜各波段的能量配比和發射線輪廓變化也會(hui) 與(yu) 單黑洞星係有所不同。

　　他進一步指出，若想證實星係中心雙黑洞的理論推測，最“簡單粗暴”的方法就是通過天文觀測，找到單個(ge) 星係中心存在兩(liang) 個(ge) 亮核，即兩(liang) 個(ge) 黑洞，並分別伴有吸積盤、噴流等典型的黑洞特征圖像。

　　另一方麵，學界推測星係中心超大質量雙黑洞在相互靠近、合並的過程中會(hui) 輻射出較強的引力波。2016年，天文學家首次探測到來自恒星級雙黑洞合並的引力波信號。當然，如果是星係中心的超大質量黑洞，其靠近、合並過程中釋放的引力波能量就會(hui) 比此前觀測到恒星級質量雙黑洞的引力波高，但頻率更低。我國正在計劃建設的空間引力波探測設備，主要目標之一就是探測星係中心的大質量雙黑洞並合。

　　“遺憾的是，迄今為(wei) 止還沒有找到真正讓所有人信服的星係中心超大質量雙黑洞的案例。”陸由俊說。

　　還需“擦亮眼睛”耐心等待

　　接下來還要繼續探索其背後有關(guan) 星係形成、演化，以及雙黑洞係統特性、合並等現象的機製

　　在科學技術飛速發展的今天，為(wei) 何始終沒有找到星係中心存在雙黑洞的“實錘”？

　　陸由俊指出，首先是因為(wei) 望遠鏡的分辨率還不夠高。有一種可能性是目前我們(men) 在鄰近宇宙中觀測到的某些星係中心確實存在超大質量雙黑洞，但受限於(yu) 望遠鏡的分辨率，隻呈現出了一個(ge) 亮核，被誤認為(wei) 是單黑洞星係。所以我們(men) 還需要一雙更加銳利明亮的天文觀測“眼睛”。

　　其次，人類天文觀測的時間尺度遠遠不足。自天文學家伽利略憑借其製作的一架折射式望遠鏡將天文學帶入了望遠鏡時代起，現代天文觀測曆史充其量也僅(jin) 有數百載。對於(yu) 人類來說，這或許十分漫長，但茫茫宇宙長河中，百餘(yu) 年恰如彈指一揮間。“我們(men) 也許錯過了宇宙中的很多‘精彩時刻’，因此星係中心雙黑洞的證據或許需要未來長時間的等待和探尋，如探測到大質量雙黑洞並合發射的低頻引力波等。”陸由俊說。

　　然而，即便我們(men) 十分幸運，這一推測能夠在不久的未來得以證實，這也並非終點，而是起點。

　　“理解雙黑洞與(yu) 其周圍環境的關(guan) 係對於(yu) 構建星係形成、演化的完整圖景至關(guan) 重要。”文章合著者、美國克萊姆森大學物理與(yu) 天文科學係副教授馬可·阿傑羅說。

　　陸由俊也指出，就算我們(men) 明確找到了星係中心雙黑洞的證據，接下來還要繼續探索其背後有關(guan) 星係形成、演化，以及雙黑洞係統特性、合並等現象的機製。

　　“屆時，可以結合電磁波理論與(yu) 引力波理論，共同探究黑洞的本質，從(cong) 而挖掘出有關(guan) 時空的更多信息，加深我們(men) 對宇宙本質的理解。”陸由俊說。

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