不再是猜測 科學家首度拍下"搖尾巴"黑洞對

天文學家首次成功拍攝到兩個黑洞相互繞行的射電(無線電)影像,為長期以來理論預測的“黑洞對”存在,提供了確鑿的視覺證據。


這兩個黑洞位於壹個名為OJ287的超大質量黑洞雙星系統的核心,距離地球約50億光年。它們鎖定在壹個運行周期長達12年左右的軌道上,這次的發現是通過地面和太空望遠鏡捕捉到的微弱射電光波動而實現的。

較小的黑洞被捕捉到發出壹股接近光速的粒子噴流,它像旋轉的花園水管或狗狗尾巴搖擺壹樣扭曲。較大的黑洞則產生壹個被稱為OJ287耀變體(blazar)的巨型宇宙噴泉,它是壹個超大質量怪物,質量約為太陽的180億倍。這項突破性發現於周肆(10月9日)發表在《天文物理學雜志》(The Astrophysical Journal)上。

突破關鍵:超長基線幹涉測量

這次成像成功的關鍵,在於使用了俄羅斯RadioAstron(Spektr-R)衛星上的射電天線,配合地面網絡進行觀測:

作為幹涉儀的壹部分,這顆衛星的天線延伸到地球到月球平均軌道距離的壹半(大約192,200公裡)。

因此,它提供了極高的解析度,這是純粹依靠地球上的望遠鏡網絡無法達到的。

影像使用的是2011年至2019年RadioAstron運行期間的數據,並結合了地面望遠鏡的觀測。

驗證長達40年理論預測

此次觀測並非偶然發現,而是對長達40年理論預測的驗證:早在19世紀末的照相底片上,就已記錄了OJ287亮度有規律的變化——大約11至12年為壹個周期,特別是會出現兩次狹窄的亮度峰值(雙峰爆發)。

這種雙峰變化被認為是由於較小的黑洞(太陽質量1.5億倍左右)在橢圓軌道上繞行較大的黑洞時,兩次沖撞了主黑洞周圍的吸積盤所致。

研究團隊正是根據基於廣義相對論計算出的雙黑洞軌道模型,預測了兩個噴流在圖像中應該出現的位置,而實際影像與預測位置吻合。

黑洞雙星特性與未來


最終的射電圖像並不是黑洞的陰影,而是它們發出的強烈粒子噴流。較大的黑洞產生耀變體OJ287的巨型噴流,而較小的黑洞則產生壹個扭曲的噴流(被比作“搖擺的狗尾巴”)。

這個黑洞對的距離約為0.1到0.25光年,大致相當於半人馬座Proxima恒星與半人馬座行星A和B之間的距離,這在緊湊的超大質量黑洞雙星系統中相對罕見。同時,主黑洞是迄今為止發現的黑洞中質量最大的之壹。

研究人員預計,在未來幾年內,隨著較小的黑洞改變其速度和方向,其噴流的扭曲方向也將改變,這將是驗證黑洞雙星系統存在的決定性證據。

由於引力波的輻射,這兩個黑洞的軌道正在衰減,預計它們將在約1萬年內合並成壹個更大的黑洞。



這張藝術動畫圖展示了OJ 287雙黑洞系統的運作模型:較小的黑洞繞行並沖撞較大黑洞的氣體吸積盤,從而產生亮度超過壹萬億顆恒星的巨大耀斑。(NASA/JPL-Caltech)

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