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研究稱黑洞碰撞合併或發出光芒 光度為太陽一萬億倍

2020/6/26 — 12:40

Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

黑洞扭曲時空,沒有粒子,甚至電磁輻射如光都無法逃逸,所以當兩個黑洞相撞時,過去都被假設並不會發出光。不過最新刊於 Physical Review Letters 的研究首次對黑洞相撞進行光學觀察,卻發現事件中發出的耀斑 (flare) 比太陽發出的光一萬億倍。

發現的光芒與去年 5 月激光干涉重力波天文台 (LIGO) 錄得、代號為 S190521g 的黑洞相撞合併事件有關。最新的觀察結果表明,當事件發生在較大一個黑洞的吸積盤 (accretion disk) 中時,周圍的灰塵和氣體會很使之發光,從而令人類從光學望遠鏡也可觀的到這些黑洞。

撰寫是次研究報告的主要作者、加州理工學院天文學研究教授 Matthew Graham 在聲明表示, 在這次突然耀斑爆發前,這個超大質量的黑洞一直有活動,而研究得出的結論是,耀斑很可能是黑洞合併的結果,但不能完全排除其他的可能性。有參與研究的紐約城市大學天文學教授 Saavik Ford 則指,有 99.9% 的把握耀斑是來自黑洞合併。

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伯明翰大學重力波天文學研究所所長 Alberto Vecchio 指,專家現在將密切關注, LIGO 團隊未來數月發表對同一事件的詳細數據分析,了解數據是否與這次的觀測結果吻合。他指,如果兩個獨立的觀察結果一致,將會是相當驚人的事情。

觀察是由 Ford 和同事 Barry McKernan 做出理論預測之後找到的,她們的預測指如果兩個黑洞相撞合併事件發生在第三個超大質量黑洞吸積盤的背景下,則與預期相反事件是可見的。二人其後與茲威基瞬變設施 (ZTF) 的項目科學家 Graham 合作證明預測能否被觀察到。 ZTF 是專為宇宙出現發光事件而設的全天候測量望遠鏡。

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團隊在 ZTF 數據中搜索,查找與 LIGO 檢測到的已知黑洞碰撞合併事件時間和位置相吻合的任何耀斑,最終找到代號為 S190521g 的黑洞相撞合併事件。

進一步的分析表明,合併發生在一個遙遠的超大質量黑洞 J1249+3449 附近,其直徑相當於地球圍繞太陽公轉的軌道,而一對較小的黑洞位於其吸積盤的外側,恆星、塵埃和氣體的光暈在巨大的中央下的沉洞 (sinkhole) 中旋轉。 Ford 形容這些物體「像憤怒的蜜蜂蜂擁而至,圍繞在中央的巨大女王蜂上」。

該對黑洞相當小,但其總質量相當於 150 個太陽,向內旋轉並聚結,重力波訊號從中散發出來;新的合併黑洞經歷了相反方向的高速反沖,吸積盤的灰塵和氣體與之出現反應,便產生明亮的耀斑,並可由望遠鏡觀察到。

如果結果得到其他團隊證實,觀察將有助於解決黑洞天文學的一個核心問題:重量級黑洞遠遠超過應有的數量。黑洞是由坍塌的古代恆星形成,當這些黑洞合併時會形成更大的黑洞,但部份黑洞從理論上而言,應該比宇宙年齡更長的時間才能滾到其觀測到的大小。可能的解釋是,如果黑洞在吸積盤中聚集在一起,那麼多輪合併的可能性更大。 Vecchio 指,當中的氣體是使這些黑洞保持在一起的膠水。

團隊預測 S190521g 後約 1.6 年,黑洞繼續圍繞中央超大質量黑洞旋轉,並在墜回吸積盤中時有機會重新發出耀斑。

來源:
The Guardian, Black holes may merge with light of a trillion suns, scientists say, 26 June 2020

報告:
Graham, M.J., Ford, K.E.S., McKernan, B., Ross, N.P. & et al. (2020). Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g. Physical Review Letters. doi: 10.1103/PhysRevLett.124.251102

文/Alan Chiu 、審核/David Yu

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