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类星体是指向罕见超大质量黑洞对的“宇宙路标”

2024-07-10 10:33阅读：

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类星体是指向罕见超大质量黑洞对的“宇宙路标”
By Robert Lea
published 2 hours ago
Black Holes
“有目标的搜索将比在一个随机大质量星系中高达七倍更可能在一个类星体中发现一个超大质量黑洞对引力波”。
类星体是指向罕见超大质量黑洞对的“宇宙路标”
一个超大质量黑洞对的描画。 (Image credit: NASA)
宇宙中最亮的天体类星体可以作为宇宙的路标，引导天文学家到难以捉摸的超大质量黑洞。
尽管科学家们晓知质量是太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞潜伏在大多数如果不是全部大星系的中心，但这些宇宙巨人的配对双一直难来探测到。这不能是因为超大质量黑洞双是令人难以置信罕
见。毕竟，这些庞然大物通过星系碰撞时开始的合并形成。这意味着一定有大群的超大质量黑洞双在那里处在碰撞的边缘上，并创造一个甚至更可怕的女儿超大质量黑洞。但它们在哪里呢？
新的研究提出类星体——活跃星系的发光心脏被超大质量黑洞提供动力——可能是这个问题的答案。这项研究背后的团队认为有类星体的星系比其它星系可能更可能七倍来宿主超大质量黑洞双。
这些发现可能帮助用引力波狩猎这些可怕的二人组，引力波是空间和时间（统一为一个叫空时的4维实体）中的微小涟漪，这被爱因斯坦1915年的广义相对论首次预测。
研究主要作者、康涅狄格大学博士生、耶鲁大学客座研究员安德鲁·凯西·克莱德告诉太空网站，“这些发现对有目标的搜索超大质量黑洞双是有用的，其中我们为来自单个超大质量黑洞双连续引力波搜索特定星系和类星体”。
凯西·克莱德说，“我们的结果意味着这些有目标的搜索将比在一个随机大质量星系中从一个类星体中的超大质量黑洞双发现引力波的可能性更高达七倍”。
讽刺的是，该团队的发现始于某些一个令人失望的发现的东西。2015年，由三台覆盖广阔天空的望远镜进行的卡塔丽娜实时瞬态勘察（CRTS）提出了111个有周期性光曲线的类星体可能是超大质量黑洞双候选者。
然而，用最近测量到的叫“引力波背景” 的宇宙嗡嗡声，凯西·克莱德及其同事确定了这些候选双类星体中的大多数可能是伪探测。
凯西·克莱德说，“甚至在校正卡塔丽娜实时瞬态勘察双候选样本中的大量假阳性后，这项工作显示类星体可能比随机星系更有可能来宿主超大质量黑洞双”。
超大质量黑洞双隐藏在宇宙的最亮的天体后面
一些超大质量黑洞被以一个叫吸积盘的扁平的气体和尘埃云形式逐渐的喂它们物质的大量物质包围。这些超大质量黑洞的巨大引力影响在吸积盘中产生强大的潮汐力，这造成摩擦，加热这种物质并造成它跨电磁光谱明亮的辉光。
此外，没有被喂给黑洞的物质被引导到黑洞的两极，在那里它作为高度准直的高能喷流被炸出。这些喷流也发射电磁辐射。作为这些现象的结果，这些叫“活动星系核”（AGN）的中央星系区域被视为类星体，能是如此明亮以致它们亮度超过围绕它们星系中每颗恒星的结合起来的光。
通常超大质量黑洞宴食并这样能够来产生一个类星体，因为它位于一个与另一个类似大小的星系合并的星系内。这次碰撞起一个宇宙吃和拿走枢纽（Grubhub）的作用，给黑洞带来一个新鲜的气体和尘埃供应。星系的合并也带两个超大质量黑洞非常接近。
双类星体是与一个以一对的形式包围两个超大质量黑洞的吸积盘相关的类星体活动的超大质量黑洞双系统。
凯西·克莱德说，“我们知道类星体能被星系大合并引发，在那里两个质量相似的星系合并。这些合并也导致一个超大质量黑洞双的最终形成，因为超大质量黑洞双被星系大合并形成，而类星体能被这些合并触发，这提示一些类星体可能被相关到超大质量黑洞双”。

类星体是指向罕见超大质量黑洞对的“宇宙路标”
一个超大质量黑洞发射一个喷流的示意图。(Image credit: ESO/M. Kornmesser)
超大质量黑洞双不像它们的类星体太亮一样
在这项研究中，该团队特别的观察了在一段时间内有重复的光输出的类星体，这些光输出被称为周期性光曲线。仿真已经提示与类星体相关的周期性光曲线可能是一个超大质量黑洞双的签名。整合到他们的研究是一组高精度旋转的叫NANOGrav脉冲星阵列的中子星脉冲星。脉冲星每秒旋转数百圈，当被考虑为整体能被用作为一个高度灵敏的宇宙秒表。
去年，NANOGrav脉冲星阵列探测到来自遥远黑洞合并的背景引力波的微弱信号，该团队能够用这一探测来约束超大质量黑洞双群体。NANOGrav的脉冲星随后帮助了团队来在类星体的群上放上约束。

类星体是指向罕见超大质量黑洞对的“宇宙路标”
描绘在合并过程中的双类星体的插图。 (Image credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick)
因为该团队用了一个类星体的电磁观测和NANOGrav脉冲星阵列引力波探测的结合，这项研究是“多信使天文学”的一个例子，同时至少用两种完全不同的信号宇宙的调查。
凯西·克莱德说，“在这项工作中多信使天文学对约束双类星体种群是至关重要的。特别是因为双类星体是一个即是类星体又是超大质量黑洞双种群的子集，对这些的每一个的约束也是对双类星体群的约束。长期以来，我们一直怀疑类星体可能是超大质量黑洞双的标志，因为两者都不得不与星系的主要合并关联。现在，甚至在考虑到卡塔丽娜实时瞬态勘察样本中的污染之后，我们已经证明了这种关联仍然是合理的”。
这一结果也惊讶凯西·克莱德和团队，因为他们发现更亮的类星体相比较暗的类星体更不可能来宿主超大质量黑洞双。
凯西·克莱德说，“最亮的双类星体候选者是最不可能是真的的事实令人惊讶。然而，当考虑到高质量超大质量黑洞双的罕见性时这有意义的。这是因为最亮的双类星体一定被与质量最大的超大质量黑洞双关联。然而，质量最大质量的大质量黑洞双是罕见的，因为它们合并的相对快” 。
这意味着更低质量的超大质量黑洞双在诸如脉冲星定时阵列能探测到的天体范围内花费更长的时间，因此更有可能被探测到。
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凯西·克莱德补充说，有目标的引力波搜索对这项研究是最重要的下一步，并补充说该团队还打算狩猎广泛分离的代表在一个紧密的超大质量黑洞双形成之前阶段的黑洞对。他说，“特别是，探测来自一个宿主类星体星系的引力波，将允许我们来测试一个超大质量黑洞双如何印记在一个类星体的光曲线上，寻找双活动星系核对约束超大质量黑洞配对将是非常重要的，超大质量黑洞配对对源自最近星系合并的超大质量黑洞双是宽分隔前兆”。
这将允许该团队来更好约束他们期望在宇宙中看到的超大质量黑洞双的数量，这样更好理解类星体和星系合并之间的关系。
凯西·克莱德总结道，“由维拉·C·鲁宾天文台即将进行的空间和时间遗产勘察（LSST）对改善对双类星体种群的约束是至关重要的。我们需要等待大约十年观测来做这个，不过因为双类星体的光照曲线被认为有年尺度的周期'。
该团队的研究以同行评审前的论文形式发布在储存库网站arXiv上。.
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