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「NASA 發現宇宙雙重黑洞,主洞質量是太陽 1.5 億倍」,雙黑洞的能量是怎麼算出來的?

2018年06月01日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 13 ℃ 次

【劉博洋的回答(29票)】:

國家天文台研究發現隱藏在最近類星體中的超大質量雙黑洞2015-08-28

近日,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權威期刊《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)。

觀測表明絕大多數星系中心都存在超大質量黑洞。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形成的,星系合併就不可避免地產生超大質量雙黑洞。同時,富含氣體的星系合併會導致氣體向中心流入觸發核活動性並形成類星體。因此,理論預期在相當多的類星體中存在超大質量雙黑洞。然而觀測上有關超大質量雙黑洞存在的證據仍很模糊、稀少。尋找、證認雙黑洞對理解類星體和星系的形成演化以及進一步研究引力波和基本引力理論具有重要意義。

由國家天文台陸由俊和閆昌碩、美國俄克拉荷馬大學戴新宇、北京大學科維理天文與天體物理研究所於清娟組成的研究團隊分析了最近的類星體Markarian 231(圖一)的連續譜。根據哈勃望遠鏡對Markarian 231核心紫外輻射的觀測和凱克等望遠鏡的光學觀測數據,他們發現Markarian 231「極端並且令人驚奇的性質」可以很好地用超大質量雙黑洞的吸積來解釋。

如果在該類星體中心只存在一個黑洞,那麼由其附近熾熱氣體形成的吸積盤就會發射大量的紫外射線。然而,觀測顯示來自盤中心的紫外輻射驟然減弱(圖二)。這一特徵就為吸積盤上存在著一個巨大的繞中心黑洞旋轉的麵包圈洞結構(donut hole;圖三)提供了有力觀測證據。基於動力學模型,對此光學紫外連續譜的最好解釋就是吸積盤中心是由兩個相互繞轉的超大質量黑洞構成,它們將吸積盤內區物質掃除殆盡。中心主黑洞的質量約為1.5億個太陽質量,而在圈洞內繞主黑洞旋轉的次黑洞的質量則有4百萬個太陽質量。次黑洞攜帶有一小吸積盤並發射紫外輻射。它們的軌道週期為1.2年。雙黑洞的共同旋繞會發射引力波、損失能量,並最終在幾十萬年後碰撞。

低質量的次黑洞是和Markarian 231併合的星系的遺跡。寄主星系的不對稱性以及年輕的藍色恆星的長長的潮汐尾,都表明它們近期經歷過併合。併合的結果使得Markarian 231成為一個恆星形成率為銀河系100倍的活躍星爆星系。落入中心的氣體為黑洞「引擎」提供燃料,觸發外流和氣體湍流並進一步激發恆星誕生的大爆發。

這項發現不僅揭示了Markarian 231中存在密近超大質量雙黑洞,它還表明很多類星體—由星系併合觸發的活動星系的明亮核心——中都有可能存在相互繞轉的雙黑洞。該項研究為通過類星體的光學或紫外輻射缺失來系統搜尋這些超大質量雙黑洞提供了樣板。

8月27日,哈勃空間望遠鏡新聞中心宣佈了這一發現(http://hublesite.org/news/2015/31)。另外,該項研究也被美國天文學會的NOVA網站選為亮點工作推介(http://aasnova.org/2015/08/24/hidden-pair-of-supermassive-black-holes/)。登錄NASA和hublesite.org/news/2015獲得更多關於該研究和哈勃望遠鏡的圖片和信息。

此研究得到了國家基金委的面上項目和中國科學院先導「宇宙結構起源」專項的資助。

圖一:Markarian 231的哈勃圖像。(Credit:NASA,ESA,the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration,and A.Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University))

圖二:Markarian 231的光學紫外輻射譜示意圖。(Credit:NASA,ESA,and P.Jeffries (STScI))

圖三:超大質量雙黑洞吸積系統藝術想像圖。(Credit:NASA,ESA,and G. Bacon)

以上是國台的新聞稿。(國家天文台研究發現隱藏在最近類星體中的超大質量雙黑洞)

至於怎麼算出來的……文章我還沒來及看,暫時沒法說。

【OverlyAttached的回答(43票)】:

大致討論一下黑洞能量屬性的粗略測算方法:

首先值得一提的是,星際空間內的大部分黑洞,乃至恆星,都存在於雙星,或者更複雜的系統中,就像最近新聞中提到的「雙黑洞(binary black hole)。反而,像太陽這樣沒有伴星的恆星或單體黑洞卻只佔20%左右。

其次,存在於雙星系統中的黑洞觀察起來要更容易一些,因為當它從伴星上抽取物質時,所形成的吸積盤會散發出特定的能量輻射,這讓人們能夠輕易地從遠處發現它。獨自存在的黑洞是很難被發現的,因為它們就像隱形的一樣,周圍幾乎沒有事物來顯示其存在。

推算黑洞的能量屬性大概有以下幾個步驟:

1. 通過吸積盤來確定黑洞

要測算黑洞的能量,目標黑洞必須有一個能夠被觀測到的吸積盤。

吸積盤(accretion disks)的形成,是黑洞吞噬周圍物質的標誌,通常由高熱的氣體組成,內部有上百萬度。由於熱量極大,光子便以高能的形式放射出來。從地球上觀測,主要是X射線。吸積盤的外環溫度較低,散發少量紫外線、紅外線和特定波長的可見光。一旦科學家們發現了一個既能散發可見光,又能散發大量X光的天體,一般就可以確定這是一個黑洞。

上面的圖釋展示的是黑洞的吸積盤模型。從內到外溫度逐級降低,溫度最高處的內環主要散發X射線和紫外線,外圍較冷處散發紅外線,乃至可見光。

2. 分析光譜

從我們的角度觀察,黑洞系統所發出的光其實是吸積盤及其伴星的光的混合體。這樣的光所形成的光譜線看上去毫無意義。然而,每隔一段時間再觀察黑洞和它的伴星,我們就能得到一份稍有不同的光譜,這是因為當黑洞及其伴星互相公轉時,它們的軌道速度和位置都會發生變化,光譜上的放射投影也會隨之變化,這就是「多普勒效應(Doppler effect)

光譜線偏移地越快,說明吸積盤和它的伴星的運動速度越快。關鍵在於,吸積盤的移動速度不太可能與伴星的速度相同,而且兩者在同時必定反向移動,因此我們便可以在光譜上區分出哪些部分屬於吸積盤,哪些屬於伴星,這樣就能把黑洞從光譜上單獨「提取」出去了。

如圖,兩顆圍繞著同一個質量中心旋轉的天體(包括雙黑洞)所形成的光譜的變化取決於兩者運動的速度和它們在同一時刻的相對位置。

3. 推算黑洞的質量

在雙黑洞系統或聯星系統中,兩個成分一般圍繞橢圓軌道內的一個共同的點運行,這個點被稱作整個系統的「質量中心(center of mass)

根據開普勒第三定律(Kepler's third law):各個天體圍繞其主星公轉的週期的平方和它們的橢圓軌道的半長軸的立方成正比。

換句話說,橢圓軌道的半長軸的三次方與運轉時間(週期)的二次方的比率是一個常數。這個常數等於兩個黑洞質量的和乘以某個數字因數。測量出運轉時間(週期)之後,我們就可以確定兩個黑洞的間隔,進而得出質量中心的大致位置(質量這時仍然可以視為未知數)。

由於兩者質量的比率跟兩者與質量中心距離的比率相等,科學家此時只需再根據觀察光變曲線隨時間的變化,推測出其軌道傾角,就可以得出黑洞的大概質量。

4. 黑洞的能量屬性

在愛因斯坦的年代,黑洞被認為是一種絕對「黑體(black body),它不會反光,也不會向外發光。然而,黑洞確實具有特定溫度下的熱輻射。霍金通過研究彎曲時空中的粒子,證實了這種輻射的存在,稱作「霍金輻射(Hawking radiation)

霍金輻射的結論描述了黑洞及其能量的一些特性。

首先,具有質量

的黑洞的半徑為:

該黑洞的熱力學溫度為:

該黑洞的表面積為:

該黑洞的明度(能量輸出)至少為:

在距離

之外,該黑洞的入射輻射為:

假設沒有外部質量輸入(只有能量輸出),

為黑洞的初始質量,

為太陽的質量,則黑洞的壽命為:

【金布拉特雷的回答(2票)】:

我怎麼記得,黑洞還沒有被發現呢

標籤:-天體物理學 -黑洞


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