超級大質量黑洞:洩露星系中心秘密的“終極告密者”
宇宙中包含許多不同大小的黑洞。雖然恆星級黑洞的質量是我們太陽質量的10-50倍,但超大質量黑洞則是我們太陽質量的幾百萬甚至幾十億倍。這些超大質量黑洞(SMBH)是如此之大,以至於它們能夠(相當程度上)成為其星系的中心。它們的引力將恆星、中子星和較小的黑洞等天體拉到它們周圍的軌道上。
引力也將周圍的氣體和塵埃拉入一個螺旋式的軌道,其終點必然是SMBH。隨著氣體的旋轉,它因摩擦而變熱,甚至可以產生明亮的輻射“噴流”。旋轉的氣體被稱為吸積盤,這些吸積盤可能非常厚,甚至可以把一些天體藏在裡面。不幸的是,吸積盤內天體之間發生的事情對我們來說是隱藏的–我們的眼睛無法看透這些氣體“幕布”。然而,這些天體合併所產生的引力波卻有助於揭開謎底:它們穿過了氣體“幕布”,讓科學家們同時研究吸積盤和合併的天體。
科學家們一直在模擬吸積盤內的天體,以了解這些吸積盤內能發生多少次合併,以及天體在合併前的方向是什麼。在這些模擬的基礎上,科學家們構建了一個“模型”來研究吸積盤的年齡和密度。
活躍星系核(AGN)是合併的二元黑洞(BBH)系統組裝的有希望的環境。在探測到來自據稱的一對不穩定質量間隙的BBH系統的引力波之後,人們對AGNs作為合併BBH的“托兒所”的興趣正在上升,其中最引人注目的是GW190521。活躍星系核也被用來解釋高質量比系統的形成,GW190814。
科學家們藉鑑了AGN中BBH系統的模擬,提出了AGN盤中合併雙星的黑洞自旋分佈的現象學模型。該模型包含了一些明顯的特徵,使AGN通道有可能與其他通道區分開來。該模型的參數可以被啟發式地映射到AGN盤的年齡和密度上。科學家們估計AGNs中不同的合併群體可以被區分的程度。如果大多數合併的黑洞是在AGNs中形成的,那麼未來的引力波觀測可能會提供對AGN盤動態的洞察力。