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超大质量黑洞绕着更大质量的黑洞旋转,每12年撞击一次其吸积盘

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虽然斯皮策太空望远镜已经退役,但它在16年半的任务中所目睹的事情将成为未来许多年的研究课题。例如,斯皮策望远镜是唯一一台能够观测到遥远星系OJ 287中心发生的令人震惊的事情的望远镜:一个超大质量黑洞(SMBH)被另一个经常穿过其吸积盘的黑洞围绕。

每当这种情况发生时,就会产生比银河系所有恒星加起来还要亮的闪光。利用斯皮策的观测,一个国际天文学家小组终于能够建立一个模型,精确预测这些闪光的时间和较小黑洞的轨道。除了证明广义相对论的实际作用,他们的发现也验证了斯蒂芬·霍金的“无毛定理”。

OJ 287位于距地球35亿光年的地方,是一个具有特别活跃的核和从其中心向外延伸的高能粒子喷流的星系。它的中心是一个超大质量黑洞,其质量大约是太阳的180亿倍,这是迄今为止发现的最大的一个黑洞,而银河系中心的黑洞(人马座A)质量大约是太阳质量的40倍。

几十年来,天文学家一直都意识到了这个黑洞的双星性质,并确定了它的伴星——它的质量是我们太阳的1.5亿倍——每12年完成一次轨道绕行。由于较小黑洞的轨道不规则,每12年,它的轨道都会移动位置,并且向吸积盘倾斜。这意味着它与圆盘碰撞,并在其周期的不同时间产生耀斑。只要天文学家知道这些黑洞的双星性质,那么他们就可以试图建立一个模型,能够准确预测这些耀斑的发生。

2010年,科学家首次成功使用了可以预测这些耀斑在1至3周内发生的模型,这一模型在他们预测2015年12月在3周之内出现耀斑时得到了证实。到2018年,负责这项最新研究的同一小组发布了一个甚至更准确的模型,该模型可以预测在四个小时内出现的耀斑。

在他们的最新研究中,研究小组展示了斯皮策的数据是如何证实他们的模型是正确的,因为它准确地预测了2019年7月31日发生的耀斑。这篇最近发表在《天体物理学快报》上的论文就描述了他们的发现。

这些观测是相当偶然的,因为OJ 287当时在太阳的对面。幸运的是,斯皮策的宽轨道使它与地球的最大距离达到了2.54亿公里,这使得它能够在7月31日观测到该星系(也就是预期爆发的同一天)。斯皮策能够一直观察这个星系,直到9月份,没有其他人造仪器能够在那个特定的时间点实现这一壮举。

预计OJ 287的性质也会产生引力波,地球上的天文学家将能够利用激光干涉仪重力波天文台(LIGO)等设施探测到引力波。事实上,这个系统产生的波被认为是巨大和充满能量的,以至于可以改变较小黑洞的轨道(并因此改变爆发的时间)。通过将LIGO自2015年以来获得的信息纳入2018年的新模型,该团队能够缩小耀斑出现的时间窗口,预计只有1.5天。为了进一步完善他们的预测,模型还包括了关于更大黑洞物理特征的细节。

具体来说,新模型包含了黑洞的“无毛定理”,这一理论最初是由包括史蒂芬·霍金在内的一组物理学家在20世纪60年代提出的。这个定理预言了黑洞的“表面”——或者更确切地说,是它们的外边界沿其旋转轴完全对称。这进一步将团队的预测模型缩小到几个小时。

通过用这种精度预测较小黑洞的轨道,新模型支持了“无毛定理”。这也证实了另一个预测,这一预测是由加州理工大学名誉教授Kip Thorne提出的,他在20世纪70年代描述了一个围绕超大质量黑洞运行的物体如何揭示其表面是对称的还是“多毛的”。

考虑黑洞是否光滑对称对于确定较小黑洞轨道的时间非常重要。虽然物体的轨道主要是质量问题,但质量的分布也很重要。因此,如果一个黑洞是“多毛的”,它会对周围任何物体的轨道产生明显的影响。

简而言之,OJ 287系统支持了黑洞表面沿其旋转轴对称的观点。对黑洞科学家来说,证明或反驳无毛定理很重要。没有它,我们根本不能相信霍金等人设想的黑洞存在。

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