雙洞記---超大質量雙黑洞

近日，中國科學院國家天文台研究人員陸由俊、閆昌碩和合作者發現在最近的類星體Markarian 231中隱藏的超大質量雙黑洞。該項研究成果已經發表在國際期刊《天體物理雜誌》（The Astrophysical Journal) 上（Yan, Lu, Dai, & Yu 2015, ApJ, 809, 117; DOI: 10.1088/0004-637X/809/2/117）。

那麼黑洞是什麼？雙黑洞又是什麼？Mararian 231中的雙黑洞是人類發現的第一個雙黑洞系統嗎？這個工作為什麼如此引人關注？

黑洞是什麼？

插圖：黑洞-想像圖，插圖來源於《星際穿越》電影。

和蟲洞一樣，黑洞也是愛因斯坦爺爺所提出的方程的一種解的形式所預言存在的。和蟲洞不同的，黑洞是目前天文學家已間接和直接證明存在的一類天體。比如，我們的家——銀河系中心有一顆超大質量的黑洞，質量大約是太陽質量的430萬倍哦（天文學家通過經年的對多顆星體的監測，定位到星體所共同圍繞的點，根據星體的運動信息（運動周期、半徑等）推算出黑洞的質量）。

黑洞具有怎樣的性質呢？任何質量的物體，都對應有一個成為史瓦西半徑的臨界半徑，物體如果被壓縮成球體，其半徑小於這個臨界半徑後就會發生重力坍縮。一旦形成黑洞，就會在周圍形成一個界面，這個界面（稱為視界面）將內部被高度扭曲的時空和外界時空隔離開，該界面以內的物質（包括光）都無法逃離，本身將繼續收縮稱為密度無限大的奇點。可以說光是我們了解信息的使者，如果連光都無法逃離該視界面，那就相當於沒有使者告訴我們黑洞視界裡面發生什麼事情。

插圖：黑洞視界，插圖來源於Kip Thorne所著的《The Science of Interstellar》。

雙黑洞

宇宙中，恆星也喜歡成雙結對，星以群分。大約50%的恆星都處於雙星系統，即兩顆恆星在引力的作用下彼此束縛，繞著對方公轉，有的時候還會因為太過靠近而發生碰撞。這就好像說明，距離產生美。

星系之間也常會成對出現，互相繞著對方舞蹈，交換物質。

那些緻密的天體，例如白矮星、中子星甚至黑洞也是如此。因此有雙黑洞，不奇怪！

雙黑洞就是由兩個黑洞構成的系統，這兩個黑洞彼此繞轉。

雙黑洞的藝術想像圖，圖片來源：http://silkroad.bao.ac.cn/web

觀測上告訴我們，大部分大質量星系中心都有一顆超大質量黑洞坐鎮。根據冷暗物質宇宙模型，大質量星系是由小質量合併形成的。那麼，我們將期待觀測到更多的雙黑洞系統。但是觀測上有關超大質量雙黑洞存在的證據並不多。

在一些活動星系核中，已經確定了存在雙黑洞系統。如何確定的呢？這裡列舉一個常見的方法——基於光譜的發射線系統。最簡單的理解是：如果每個黑洞以及它的吸積盤會產生一套寬發射線，那麼整個雙黑洞系統的光譜中將呈現兩套寬發射線。科學家們通過這個判定依據，來尋找超大質量雙黑洞系統。

找到雙黑洞真的那麼重要嗎？

當然重要。

剛才我們也提到了，在標準冷暗物質宇宙模型中，大質量星系是由小質量星系合併而來的。而每個星系中又有一個黑洞。那麼自然就會期待合併過程中，有雙黑洞存在的一個階段。如果我們看到了雙黑洞，這何嘗不是一個有力的證據，驗證了星系演化模型的正確？除了驗證之外，其重要意義還在於雙黑洞為星系演化以及黑洞演化的研究提供了新的媒介。

星系的合併也是一個向中心輸送氣體，為黑洞提供吞噬物質的大事件，黑洞一旦活躍，原來不活動的星系將變得活躍，稱為類星體。因此，雙黑洞的尋找和證認對於研究類星體也具有重要的意義。

廣義相對論告訴我們，物質決定時空彎曲，時空彎曲決定物質的運動。黑洞質量這麼大，自然會對時空造成彎曲。雙黑洞的相互繞轉、合併會產生引力波，並且有可能被人類的引力波探測器看到。對雙黑洞的觀測以及理論研究，也是引力波領域一個重要方向。

我們找到雙黑洞存在的證據了嗎？

在活動星系核中已經確認了其中的超大質量黑洞還擁有一個黑洞伴侶，甚至在普通的星系中也看到了一個超大質量雙黑洞。

2014年引人注目的雙黑洞發現

引人注目點：論證了普通星系的首個雙黑洞系統。

藉助XMM-牛頓X射線望遠鏡，天文學家第一次在一個普通星系中觀測到了一個超大質量雙黑洞。該星系名叫SDSS J120136.02+300305.5。

該星系之所以引起天文學家們的注意是因為，當XMM-牛頓望遠鏡從一個觀測目標轉向另一個目標的過程中，恰好捕捉到位於其中心的超大質量黑洞正在吞噬恆星的信息。當黑洞吞噬一顆恆星時，它先將恆星撕裂再進食時釋放大量的X射線——XMM-牛頓衛星捕捉到了這些X射線。但XMM-牛頓衛星的後續觀測發現事情變得很奇怪：該事件的X射線在發現後繼續發射一段時間就消失了，然後在距離發現第48天後卻又再次出現。

為什麼出現又消失了，然後又出現了呢？雙黑洞！

北京大學物理學院天文系主任劉富坤教授和他的研究團隊一直就致力於對雙黑洞系統潮汐撕裂恆星的理論研究。2009年在他們發表的工作中就指出，當雙黑洞潮汐撕裂一顆恆星時，恆星「悲劇性」地以細長的氣體流形式被主黑洞吞噬，氣體被加熱產生強烈的X射線，這也是當年衛星剛開始捕捉到的X射線；但隨後次黑洞不開心了，用它的引力對流向主黑洞的氣體流次黑洞產生擾動（引力拖拽效應），暫時性地剝奪了主黑洞的食物，觀測上表現出來的是X射線波段的輻射消失了；但是，次黑洞的引力拖拽效應只是暫時性的，不久主黑洞又恢復了它的進食和X射線閃耀。

圖片是對這個雙黑洞系統的藝術想像圖。該圖片和入選主題介紹全文發布在NASA網站「PICTURE OF THE WEEK」上。

2014年，劉富坤教授與國家天文台李碩博士、德國馬克思－普朗克學會射電天文研究所斯蒂芬妮·科摩薩（Stefanie Komossa）博士合作，通過數值模擬和嚴格理論分析論證發現，星系SDSS J120136中存在著一對隱匿的超大質量雙黑洞。他們發現，有兩套雙黑洞系統情形可完美重構SDSS J120136的觀測結果。他們的工作發表在美國《天體物理學》雜誌。

2015年引人注目的雙黑洞工作

引人注目點：在最近的類星體中尋找到存在超大質量雙黑洞的有力證據；首次使用了類星體光學紫外輻射確實這一新方法來搜尋雙黑洞。

中國科學院國家天文台研究人員陸由俊、閆昌碩和合作者發現在最近的類星體Markarian 231中隱藏的超大質量雙黑洞。

他們基於對Markarian 231的光學紫外連續譜的分析，發現了不同尋常的現象——相比於單個黑洞周圍的吸積盤發出的紫外輻射，這個源的紫外輻射呈現突然減弱的現象。

Markarian 231的光學紫外輻射譜示意圖，圖片版權：NASA, ESA和P. Jeffries (STScI)。

據陸由俊老師介紹，如果類星體中心只有一個黑洞時，那麼它將產生大量的紫外波段輻射。但是，觀測顯示出來自盤中心的紫外輻射更弱。對這一現象最好的解釋是，這個源中心是一對超大質量黑洞，它們的相互繞轉讓原來實心的吸積盤變成了有間隙的吸積盤，盤內區的物質被掃除殆盡。

他們進行了數值模擬，重構出觀測上的紫外輻射譜。模型中的主黑洞質量約1.5億個太陽質量，次黑洞與我們銀河系中心超大質量黑洞相當，約4百萬個太陽質量。

該文定性：編寫，不算全部原創！