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黑洞之舞

黑洞之舞

2015年底,特殊的類星體OJ287迎來了30年以來最強烈的一次爆發。研究者認為,那裡存在兩個大質量的黑洞,它們相互環繞並嚴格的遵循著廣義相對論。

越複雜的物理理論,越需要極端的條件去檢驗。愛因斯坦100年前公開發表的廣義相對論中敘述道:在各種存在彎曲時空的質量體之間的引力,正是由這些質量體本身產生的。這是一條迄今為止仍然經得住考驗的立論。但是這種相對作用在生活中幾乎不可被察覺,因此牛頓相對簡單的萬有引力定律依舊被廣泛的應用著。在距離地球35億光年,巨蟹座的方向的一個角落,愛因斯坦的方程似乎引導著我們。

類星體OJ287就在這個巨蟹座的角落裡,它2015年的年底受到了眾多天文學家的關注。這是因為OJ287出現了一次30年來最強烈的稀有的明亮爆發。芬蘭圖爾庫大學的Mauri Valtonen 報告:2015年12月5日類星體OJ287的最大光度達到了12.9mag。雖然它比肉眼可見的恆星暗弱上千倍,但業餘天文愛好者也能用一般大小的望遠鏡觀察到它。OJ287在2005年和2007年處在活躍期(見圖)。當時Valtonen和他來自歐洲、和日本的同事們一起成功預測爆發的時間點。他們的成功引起了人們的關注,Valtonen表示,對此印象十分深刻:科學家此時對於類星體的已經有了更深入的了解,愛因斯坦的理論即使在宇宙深處的角落也描述的如此完美。

英國業餘天文愛好者Martin P.Mobberley 在2007年用他的望遠鏡Celestron 14.記錄下了OJ287的爆發。

這個記錄是用型號為SBIG ST9XE的CCD相機,在2014年1月14號20:40(UT)經過180秒的曝光得到的,記錄下OJ287的光度為15,9mag。

人們早在19世紀末就發現了OJ287的爆發現象。最初天文學家用這樣一個令人信服的模型解釋其來源:類星體的「馬達」,就是一個大質量的黑洞,180億倍太陽質量的物質匯聚在星系中心。黑洞從吸積盤上得到氣體並將其加熱到十分高的溫度,發出所有波長的電磁輻射。類星體(Quasar)這個詞語便是來自「quasistellar Radioquelle」(英:「Quasistellar Radio Source」類星輻射源)。

因為OJ287的特殊性,天文學家們大量的研究了這個活躍的星系核。1982年芬蘭天文學家Aimo Sillanpää發現了爆發的規律:每11到12年會有兩次特彆強烈的爆發,並且兩次爆發的時間間隔大約是一年。Sillanpää提出,這樣的規律是應為存在第二個黑洞,它圍繞著大質量黑洞公轉,軌道呈狹長橢圓,周期約為12年。當第二個黑洞與大質量黑洞的吸積盤相撞或兩個黑洞十分接近時,吸積盤中物質的溫度升高併發出強烈的電磁暴,我們稱其為flare(耀斑)(見圖)

如圖所示,1億倍太陽質量的黑洞和180億倍太陽質量的黑洞相互環繞,180億倍太陽質量的黑洞周圍有吸積盤環繞。每當碰撞發生時,它會劇烈的閃爍。這使類星體的光度大大提高,吸積盤的光環上產生出耀斑(flare)

Valtonen和他的同事們成功的預測有力的證明了這個規律:在2005年第一次觀測到強烈爆發后,研究者們計算出了於2007年9月13號的第二次碰撞發生的時間。其結果的誤差只有6個小時。預測的成功,是因為科學家注意到了廣義相對論的兩個現象:一方面是相對的近點進動(Apsidal precession)現象,就是說兩個黑洞的相距最近的點在周期的運動。在這個雙黑洞系統中,運行每周該點會移動的39°,這是一個很大的角度而且是現發現在宇宙中最大的近點移動現象(見圖)。如果沒有注意到這個現象,預測日期將會提前10天。

連接最遠點和最近點,並經過大質量黑洞中心的軸線,它根據廣義相對論在這兩個黑洞的引力場中旋轉。每經過一個周期,它就會轉過39°。

第二個現象更為顯著:由於引力波的輻射,這個雙黑洞系統失去了穩定的能量,在運行的同時其相對距離越來越小。引力波不存在經典引力理論中,它在廣義相對論中才被提出。若是忽視了這一點,預測則要晚20天之久。科學家們還準確的計算出了這個較小黑洞的質量。它總計1億倍太陽質量——雖然它的質量比OJ287中180億倍太陽質量的大黑洞小很多,但它的質量也有我們銀河系中心的黑洞的25倍。

Valtonen和他的團隊預測下一次相撞的時間在2016年一月初,然而大約三周以來在兩個方面沒有準確的答案(見圖)。「這次爆發在2015年12月初已經發生了,我們由此了解到,大黑洞的自轉對預測結果的影響,這和現有的觀察結果會幫助我們完善模型。」

這張圖表記錄了1890-2010年間OJ287的爆發歷史。經過相同的時間間隔這個雙星系統會出現一次明亮的爆發。當次級黑洞穿過大黑洞的吸積盤時該現象就會發生。

對於第二個黑洞存在的最後懷疑也被消除了:「很久以來我們只能間接的證明第二個黑洞穿過了主黑洞的吸積盤,從類星體那兒接收到的輻射完全來自於大黑洞和碰撞產生的熱輻射。」 Valtonen說「而現在看來,這次爆發所含的輻射一半直接來自第二個黑洞——在這之後我們便第一次直接證明了第二個黑洞的存在。」

由於這兩個黑洞旋轉的特殊,天文學家會在接下來的幾年親眼見證它們的舞蹈:由於近點進動現象,較小黑洞的公轉軌道將與大黑洞吸積盤的平面平行。Valtonen解釋道:約在2019年7月和2022年的7月接下來的碰撞將會發生,而在30年代它們又會恢復到通常的形態。對於這個預言,我們相信廣義相對論也會取得接下來的勝利。從長看,這個雙黑洞系統的命運已是定數:在大約10000年內,兩個黑洞通過引力波輻射出大量的能量,它們會合而為一,形成一個更大的黑洞。

原文載於《Sterne und Weltraum》

作者:Jan Hattenbach

德文翻譯:系外行星地瓜君

校譯:王 坤

編排:邱煜欣

責任編輯:解仁江

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