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国家天文台联合发现普通星系中超大质量双黑洞(组图)

2014年04月28日17:26 | 我来说两句(人参与) | 保存到博客
  日前,一个包括国家天文台“丝绸之路”项目组博士后李硕在内的由中国和德国科学家组成的研究团队,在普通星系中发现了互相绕转的超大质量双黑洞。这是首次在普通星系中发现的超大质量双黑洞。这对隐匿的双黑洞之所以能够被发现是因为它们最近潮汐撕裂了一颗恒星,而欧洲空间局(ESA)的XMM-Newton X-射线卫星当时恰巧正对准它们所在的方向进行观测而目睹了这一事件。该发现利用国家天文台计算天体物理重点实验室的高性能机群“老虎”进行了大量的数值模拟,完成了对该系统物理参数的确定。

  这一发现验证了刘富坤教授和李硕等人在2009年提出的一个关于普通星系中双黑洞系汐撕裂事件的理论模型。此类天体的发现对验证宇宙学与星系演化模型及广义相对论在极端条件下的适用性具有十分重要的意义。4月22日,ESA发布新闻(http://sci.esa.int/home)宣布了这一发现,4月23日,《中国科学报》在头版进行了中文报道 (http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?id=20144)。

国家天文台联合发现普通星系中超大质量双黑洞


  图1:星系中心互相绕转的超大质量双黑洞恒星潮汐撕裂事件艺术想象图。主黑洞将一颗恒星撕裂成细长气体流,该气体流在流向黑洞形成围绕黑洞旋转的吸积盘时被高温加热产生强烈X-射线辐射。当次黑洞绕转到气体流附近(但不穿过)时,产生的破坏性引力扰动作用使气体流中部分气体流飞离,留下一段空隙。X-射线光变曲线则相应地出现突然下跌直至黑暗的现象。(绘图:ESA -C. Carreau)

  我们的宇宙由无数星系组成。根据目前天文界主流的宇宙演化模型,很大一部分星系在漫长的演化过程中会与邻近的星系发生一次乃至多次的合并。而近十几年来的大量观测表明,多数大质量星系中心都存在着超大质量黑洞。我们银河系的中心也确认存在着一个几百万倍太阳质量的黑洞。因此,超大质量双黑洞系统不但能够为星系合并提供重要证据,还能帮助我们了解星系的演化历史。

  早在上世纪八十年代初,天文学家们就已经意识到超大质量双黑洞系统的重要性。然而30年来,天文学家仅在少数几个活动的星系中找到了超大质量双黑洞。普通星系中心的双黑洞因其处于不吸积物质的非活跃状态而探测极端困难。为了解决这一问题,刘富坤教授和李硕等人在2009年创造性地提出可以利用潮汐撕裂这一特殊的天体物理事件来寻找宁静星系中的超大质量双黑洞。

  所谓潮汐撕裂事件,是指当一颗恒星足够接近黑洞的时候,后者对其产生的潮汐力会强大到超过恒星的自束缚引力,从而导致恒星被完全或部分撕裂。一部分恒星撕裂后的残余碎片最终会落回到黑洞附近,并被黑洞吸积,同时产生强烈的电磁波耀发。这样的事件可以在一段时间内点亮宁静星系中心的超大质量黑洞。刘富坤教授等人提出,在双黑洞系统中这样的耀发事件对应的光变曲线会有明显的截断和复发特性(如图1所示)。这一预言在这次获得这次发现的过程中得到了证实。

  2010年6月10日,XMM-Newton X-射线卫星捕捉到一例来自大熊座星系SDSS J120136.02+300305.5的耀发事件。紧随其后的光变曲线跟踪观测表明,这是一例典型的超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事件。但更长期的跟踪观测表明,该天体的光变曲线除遵循典型的潮汐撕裂模型之外,在事件发现后的第27至48天之间出现了突然的截断,随后又突然重现。这一特殊的光变模式与09的模型所预言的结果十分相似。

  要验证这一事件是否来自于一个超大质量双黑洞系统,需要根据09年的双黑洞潮汐撕裂模型进行数值模拟计算,并将计算获得的光变曲线与观测结果进行比对。这需要在大的双黑洞和恒星轨道参数空间进行海量数值模拟。国家天文台GPU“老虎”计算机群是目前国际上应用于天文数值模拟的运算速度最快服务器之一,是完成这一计算任务的最佳选择。在大量数值模拟计算的基础上,李硕博士和刘富坤教授等一起,结合对耀发事件的观测结果最终确定了该双黑洞系统的质量和轨道参数等各物理量。

  根据他们的计算结果,大致上有两套双黑洞系统可以完美地重构观测结果。其中一种情况对应于一个千万倍太阳质量的主黑洞和一个百万倍太阳质量的次黑洞所构成的双黑洞系统(如图2所示),而另一种情况对应于百万倍和十万倍太阳质量的双黑洞系统。这两个系统中两个黑洞的距离都非常的小,大概仅有太阳系的尺度。这两个黑洞会在约两百万年后因为引力波辐射而并合成一个黑洞。
国家天文台联合发现普通星系中超大质量双黑洞

  图2:双黑洞(情形一)对星系SDSS J120136.02+300305.5潮汐撕裂恒星事件x-射线光变曲线的完整重构(红实线)。图中菱形符号为XMM-Newton卫星及Swift卫星的观测值及误差,向下箭头代表X-射线源亮度低于卫星的探测极限时得到的流量上限,实际亮度低于该值。黑色虚线为单黑洞中恒星潮汐撕裂事件的典型光变曲线。(国家天文台网站)
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