雙子座北望遠鏡的數據為超大質量雙黑洞停止合併提供了可能的解釋。利用該望遠鏡的檔案數據，一個天文學家小組測量出了迄今發現的最重的一對超大質量黑洞。兩個超大質量黑洞的合併是一種早已被預測的現象，但從未被觀測到。這對超大質量黑洞提供了一些線索，讓我們知道為什麼在宇宙中發生這樣的事件似乎不太可能。

兩個超大質量黑洞的合併是一個早已被預測的現象，儘管從未被直接觀測到。天文學家提出的一個理論是，這些系統的質量如此之大，以至於它們耗盡了在宿主星系中驅動合併所需的恆星物質。利用雙子座北望遠鏡的檔案數據，一個天文學家小組發現了一個雙黑洞，為此觀點提供了有力的證據。根據研究團隊估計，這個雙黑洞的質量是太陽質量的280億倍，是迄今為止測量到的最重的雙黑洞。這次測量不僅為雙星系統的形成及其宿主星系的歷史提供了寶貴的背景資料，而且還支持了一個由來已久的理論，即超大質量黑洞雙星的質量在阻止超大質量黑洞合併方面起著關鍵作用。資料來源：NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M.Zamani

幾乎每個大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞。當兩個星系合併時，它們的黑洞會形成一對雙星，這意味著它們處於相互束縛的軌道上。據推測，這些雙星最終會合併，但這現象從未被觀測到[1]。幾十年來，天文學家一直在討論這樣的事件是否可能發生。在最近發表於《天體物理學報》（TheAstrophysical Journal）的一篇論文中，一個天文學家小組提出了對這個問題的新見解。

一個天文學家小組利用由美國國家科學基金會NOIRLab 負責運作的雙子座北望遠鏡（國際雙子座天文台的一半）提供的檔案數據，測量出了迄今發現的最重的一對超大質量黑洞。兩個超大質量黑洞的合併是一種早已被預測的現象，但從未被觀測到。這對超大質量黑洞提供了一些線索，說明為什麼宇宙中發生這種事件的可能性如此之小。

雙子座北區前所未有的洞察力

研究團隊利用夏威夷雙子座北望遠鏡（由美國國家科學基金會資助的NOIRLab運行的國際雙子座天文台的二分之一）的數據，分析了位於橢圓星系B2 0402+379內的一個超大質量黑洞雙星。這是迄今為止唯一一個被分辨得足夠詳細，可以分別看到兩個天體的超大質量黑洞雙星，[2]而且它還保持著迄今為止直接測量到的最小間隔記錄–僅僅24 光年[3 ]。

雖然如此接近的分離預示著強大的合併，但進一步的研究發現，這對天體已經在這個距離上停滯了30 多億年，這不禁讓人產生疑問：是什麼阻礙了合併？

雙黑洞合併的挑戰

為了更好地了解這個系統的動態及其停止的合併，研究小組研究了雙子座北區的雙子座多目標攝譜儀（GMOS）的檔案數據，這些數據使他們能夠確定黑洞附近恆星的速度。”GMOS出色的靈敏度使我們能夠測繪出恆星在靠近星系中心時的速度，”論文共同作者、史丹佛大學物理學教授羅傑-羅曼尼（Roger Romani）說。”有了這些，我們就能推斷出居住在那裡的黑洞的總質量。”

根據研究團隊估計，這對雙星的質量是太陽質量的280億倍，是迄今測量到的最重的雙黑洞。這項測量結果不僅為雙星系統的形成及其宿主星系的歷史提供了寶貴的背景資料，而且還支持了一個由來已久的理論，即超大質量雙黑洞的質量在阻止潛在合併中起著關鍵作用[4]。

“為國際雙子座天文台提供服務的數據檔案蘊藏著一座尚未開發的科學發現金礦，”國家科學基金會國際雙子座天文台計畫主任馬丁-斯蒂爾說，”對這個極端超大質量雙黑洞的質量測量是一個令人敬畏的例子，說明了探索這一豐富檔案的新研究可能產生的影響。”

二進制系統的形成與未來

了解這個雙星是如何形成的，有助於預測它是否以及何時會合併–一些線索表明，這對雙星是透過多個星系合併形成的。首先，B2 0402+379 是一個”化石星系團”，這意味著它是整個星系團的恆星和氣體合併成一個大質量星系的結果。此外，兩個超大質量黑洞的存在，加上它們巨大的總質量，表明它們是由多個星系的多個較小黑洞合併而成的。

星系合併後，超大質量黑洞不會正面相撞。相反，當它們進入一個有束縛的軌道時，就會開始互相彈射。它們每經過對方一次，能量就會從黑洞傳遞到周圍的恆星。隨著它們能量的流失，這對黑洞被越拖越近，直到相距僅有一光年時，引力輻射佔上風，它們才會合併。這個過程已經在成對恆星質量的黑洞中被直接觀測到–有史以來的第一次記錄是在2015年通過引力波的探測–但從未在超大質量的雙星中觀測到過。

停滯不前的合併與未來聯合的可能性

透過對該星系巨大質量的新了解，研究小組得出結論，需要有數量特別多的恆星才能減緩雙星軌道的速度，使它們如此接近。在這個過程中，黑洞似乎甩掉了它們附近幾乎所有的物質，使得星系核心缺乏恆星和氣體。由於沒有更多的物質來進一步減緩這對天體的軌道，它們的合併在最後階段停滯了。

羅曼尼說：”通常情況下，黑洞對較輕的星系似乎有足夠的恆星和質量來驅動兩者迅速結合在一起。由於這對黑洞非常重，因此需要大量恆星和氣體來完成這項工作。但是這對黑洞已經將中央星系中的這些物質清除乾淨，使它停滯不前，可供我們研究。”

這對天體究竟會克服停滯狀態，最終以數百萬年的時間尺度合併，還是永遠繼續在軌道上徘徊，目前尚無定論。如果它們真的合併，產生的重力波將比恆星質量的黑洞合併產生的重力波強大一億倍。這對天體有可能透過另一次星系合併來征服最後的距離，這將為星系注入更多的物質，或者有可能是第三個黑洞，從而使這對天體的軌道慢到足以合併。不過，鑑於B2 0402+379是一個化石星系團，另一個星系合併的可能性不大。

“我們期待著對B2 0402+379的內核進行後續調查，我們將研究其中存在多少氣體，”論文第一作者、史丹佛大學本科生Tirth Surti說。”這應該能讓我們更深入地了解超大質量黑洞最終能否合併，或者它們是否會作為雙星擱淺。”

說明

1. 雖然有證據顯示超大質量黑洞之間的距離只有幾光年，但似乎沒有一個黑洞能跨越這個最終距離。關於這種事件是否可能發生的問題被稱為”最終-秒差距問題”，幾十年來一直是天文學家們討論的話題。
2. 以前曾對含有兩個超大質量黑洞的星系進行過觀測，但在這些情況下，它們相距數千光年–太遠了，不可能像在B2 0402+379 中發現的雙星那樣處於相互結合的軌道上。
3. 其他黑洞動力源的距離可能更小，不過這些都是透過間接觀測推斷出來的，因此最好歸類為候選雙星。
4. 這個理論最早是由貝格爾曼等人於1980 年提出的，根據數十年來對星系中心的觀測，這個理論一直被認為是存在的。

編譯來源：ScitechDaily