超大质量双黑洞并合 3年后人类或将有幸“目睹”

  超大质量双黑洞在演化最后阶段的并合,究竟会是一种怎样的结果,目前还存在争议。有的理论认为,两个黑洞会像两个人面对面贴近跳舞一样,虽然距离很近,但始终无法合二为一;有的理论则认为,当两个黑洞越靠越近,随着引力波辐射散失掉大量能量,最终会无限贴近直至并合。

  安涛 中国科学院上海天文台研究员

  当两个超大质量黑洞逐渐靠近,并最终并合后,会发生什么?这个此前无人能够确切回答的问题,或许将在未来3年内得到答案。

  不久前,中国科学技术大学蒋凝博士领衔的国际研究团队发现了一个疑似将在未来3年内完成并合的超大质量双黑洞系统。如果这一发现得到证实,它将极有可能成为人类完整观测到的第一例超大质量双黑洞并合事件,为检验黑洞演化和引力波理论提供最佳研究对象。

  近日,在这一发现的基础上,一个由中国科学院上海天文台研究员安涛牵头的研究团队利用甚长基线干涉测量技术对这个超大质量双黑洞系统进行了首次高分辨率成像观测,研究了其并合前的射电结构和辐射状态,对今后对比研究双黑洞并合前后的辐射和动力学特征提供了重要参考。

  “看不见”的超大质量双黑洞并合

  当一颗质量是太阳几倍甚至几十倍的恒星走到生命尽头时,往往会以黑洞的形式终结一生。而双黑洞,顾名思义,便是由两个因引力作用相互吸引、绕转的黑洞组成的系统。随着时间的推移,这两个黑洞会像陀螺一样,不断旋转着向彼此靠近,最终发生双黑洞并合事件,并释放出引力波。

  按照质量划分,黑洞可以大致分为3类,即恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。就算是最小的恒星级质量黑洞,其质量也是太阳的数倍乃至数十倍。而超大质量黑洞,其质量则会在太阳的百万倍到百亿倍之间。根据现有的观测数据,科学家认为,大质量星系中心普遍存在着超大质量黑洞。比如不久前刚刚公布首张照片的银河系中心的超大质量黑洞Sgr A*,其质量便达到了太阳的400万倍。安涛表示:“银河系在茫茫宇宙中并不算大,有的星系质量比银河系大几千倍甚至上万倍,因此这些星系中心的黑洞质量也会更大。”

  超大质量黑洞是否也会发生双黑洞并合?答案是肯定的。在等级成团星系宇宙学演化框架下,两个星系之间的并合必然会产生超大质量双黑洞。安涛向科技日报记者介绍,超大质量双黑洞在演化最后阶段的并合,究竟会是一种怎样的结果,目前还存在争议。有的理论认为,两个黑洞会像两个人面对面贴近跳舞一样,虽然距离很近,但始终无法合二为一,此时二者之间的最小间距将达到约1秒差距(1秒差距约等于3.26光年);还有的理论则认为,当两个黑洞越靠越近,随着引力波辐射散失掉大量能量,最终会无限贴近直至并合,此时二者之间的间距约为毫秒差距,即0.001倍光年。但无论如何,双黑洞并合时二者间“亲密无间”的距离,都让直接观测超大质量双黑洞并合成为难题。“当两个黑洞之间距离过近时,就远远超出了望远镜的分辨率极限,无法直接观测成像,甚至分不清楚是一个黑洞还是两个黑洞。”安涛向记者解释道。

  另辟蹊径克服直接成像困难

  虽然没有办法用望远镜对超大质量双黑洞并合直接进行成像观测,但这不代表科学家没有其他手段探查其奥秘。

  通常人们看到的黑洞图像,黑洞周围往往存在着一圈发光物质,那是被黑洞吸引而来的气体、碎片等,天文学中称之为吸积盘。在稳定状态下的黑洞,其吸积盘通常也呈现出相对稳定的状态。但是一旦当两个超大质量黑洞逐渐开始旋转、靠近,并形成双黑洞系统时,其相互绕转会造成吸积盘及其周围气体云团的亮度发生变化。而这一变化便可被光学和X射线望远镜敏锐地察觉到。在此基础上,结合近年来飞速发展的时域天文学,天文学家便能够以时间为序列,对亮度变化的时间特征进行分析,得到所谓的光变曲线,从而对双黑洞的某些物理性质进行深入研究。

  一个引力束缚的双黑洞系统,由于轨道绕转,其光变曲线会呈现周期性特征。这样的超大质量双黑洞候选体,天文学家已经发现了很多,但它们没有一个表现出临近并合的特征。但天文学家并没有因此放弃,在不久前,蒋凝领衔的国际研究团队在近邻宇宙中发现了一个奇特的活动星系核,它的光变曲线呈现出周期衰减的震荡,在过去3年里,这一周期从一年逐渐减小到3个月。不仅如此,其光变的振幅也在逐渐减小,再结合其他观测特征和模型拟合预测的结果,该团队认为,这极有可能是一个将在3年内完成并合的超大质量双黑洞系统。人类终于有可能第一次“目睹”到超大质量双黑洞并合过程。

  为了证实这个史无前例的猜想,蒋凝领衔的研究团队以及国际上的多个团队正在开展后续的多波段观测,其中射电波段跟踪观测是重要的一部分。由于该候选体的射电辐射极其微弱,只有借助拥有极高分辨率和灵敏度的射电望远镜阵列才能对其进行进一步观测。

  于是,在获知这一发现后,安涛及其团队立即使用甚长基线干涉测量技术对该候选体进行了观测研究。简单来讲,甚长基线干涉测量技术是将几台独立的射电望远镜,通过组合形成一个大型射电望远镜阵列。而这台组合而成的“巨大望远镜”,其分辨率会随着望远镜之间距离增大而逐渐提高,即望远镜之间相距越远,分辨率越高。据安涛介绍,一般而言,望远镜之间的距离过远,会导致彼此间的信号传输不稳定,给后期的信号合成造成困难。但甚长基线干涉测量技术能够将每个望远镜观测到的数据进行独立记录,并汇总到一个数据中心进行分析,后期再利用特殊手段将各个望远镜的数据对齐合成,使得望远镜即使分布于全球各大洲,也不必担心受到信号传输距离的影响。

  对双黑洞系统的研究才刚刚开始

  蒋凝及安涛团队的一系列研究只是一个起点。超大质量双黑洞并合会产生什么结果?没有人敢下定论。释放引力波当然是最有可能的结果之一。但是不同于质量较低的双黑洞并合所引发的引力波,超大质量双黑洞并合所产生的引力波频率不在地面引力波探测器——激光干涉引力波天文台的探测范围内。不过,科学家也并非毫无办法,对于百万倍太阳质量的超大质量双黑洞并合事件,其辐射的引力波频率在毫赫兹频段,我国的“天琴”“太极”和欧洲LISA项目等未来空间低频引力波探测器都可以对其进行探测。但对于几亿到几十亿倍太阳质量的超大质量双黑洞并合产生的引力波,其频率更低,往往在纳赫兹到微赫兹之间,只能通过脉冲星计时阵列进行探测。

  在安涛看来,他们的研究才刚刚开始,“我们的第一轮观测主要是为以后的研究提供最初的基准和参照。”在接下来的几年内,研究团队将持续对这个双黑洞系统进行射电谱和甚长基线干涉测量技术成像观测,为跟踪超大质量双黑洞并合前最后时刻的活动性提供关键的观测信息,以及与并合后的射电观测相比较,以期能够完整了解超大质量双黑洞并合全过程。而蒋凝与安涛也都在得出相关结果后,不约而同地在第一时间将结果与国际天文界的同行们进行了分享,希望国际天文学家共同加入,来进一步研究和检验这个非同寻常的发现。安涛说:“这个候选体的发现和研究,对于进一步理解黑洞和星系演化非常重要,我们把结果分享出去,大家一起去努力探索,无论谁有了后续结果,都是人类探索宇宙未知的进步。”

  来源:科技日报

沉痛哀悼!又一巨星陨落![蜡烛][蜡烛][蜡烛]

我国感光材料专家、中国工程院院士邹竞因病医治无效,于2022年6月9日在天津逝世,享年86岁。

邹竞,1936年2月生于上海市,祖籍浙江平湖。1960年毕业于苏联列宁格勒电影工程学院,获工艺工程师学位。曾任中国乐凯集团有限公司研究院首席专家、教授级高级工程师,兼任天津大学化工学院教授、博士生导师。1994年当选为中国工程院院士。

邹竞长期从事感光材料和功能性薄膜材料研究和新产品开发,并取得了多项研究成果。

20世纪60年代成功研制出当时国防军工急需的三种特种红外胶片,填补了国内空白。从70年代起,先后主持开发了三代乐凯彩色胶卷,使国产彩卷从无到有,质量逼近90年代初国际先进水平,取得了显著的经济效益和社会效益,为发展我国民族感光材料工业作出突出贡献。

进入21世纪以来,先后研制开发出通用型医用感绿X射线胶片、医用氦氖激光影像胶片、医用红外激光影像胶片,以及银盐法透明导电膜和太阳能电池背膜等功能性薄膜材料。

我国是第四个拥有彩色感光材料制造技术的国家,这项成果离不开邹竞多年的辛勤钻研,她曾说:“像我们这样一个拥有十几亿人口的发展中大国,绝不能长期依赖进口彩色胶卷。我一直坚信,中国人既然能自力更生研制出原子弹、氢弹,也一定能依靠自己的力量,研制生产出能与世界名牌相媲美的彩色胶卷。”

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人生旅途(110)

东坡与酒(五十):忧患与共
今天我再来品读东坡的另一首《满江红》,但涉及的人不是朱寿昌,而是朱寿昌介绍过来的朋友,董毅夫。
东坡在这首《满江红》里有序言,我们先读它:

董毅夫名钺,自梓漕得罪,罢官东川,归鄱阳,过东坡于齐安。怪其丰暇自得,余问之。曰:“吾再娶柳氏,三日而去官。吾固不戚戚,而忧柳氏不能忘怀于进退也。已而欣然,同忧患若处富贵,吾是以益安焉。”命其侍儿歌其所作《满江红》。嗟叹之不足,乃次其韵。

直译:董毅夫的名字为钺,在梓州(今四川中江县)转运副使任上犯了错,于是他就辞了官,回老家江西鄱阳湖畔去,经过黄州时来寻访我。我对他丰神俊朗、优闲自得的神态感到奇怪,就询问其原因。毅夫说,“我与柳氏是再婚的,结婚三天后就丢了官。我对此没啥好伤感的,但担心她看不开仕途上的进与退。很快她就放下了、日子过得舒畅起来,两个人同甘共苦,我因此更加安心了。”说完就吩咐他的侍儿唱其所作的《满江红》。我感慨万千之余,就按照他的韵脚填了这首《满江红》。

《满江红·忧喜相寻》
忧喜相寻,风雨过、一江春绿。巫峡梦、至今空有,乱山屏簇。何似伯鸾携德耀,箪瓢未足清欢足。渐粲然、光彩照阶庭,生兰玉。
幽梦里,传心曲。肠断处,凭他续。文君婿知否,笑君卑辱。君不见周南歌汉广,天教夫子休乔木。便相将、左手抱琴书,云间宿。

直译:
忧与喜是相互缠绕延续的,就像春天的风雨过后,眼前是一江绿水一样;
又像楚王从巫山邂逅神女的梦里面醒来,梦境消失,只剩巫峡十二峰纵横错杂,如屏障般矗立。
您的故事,与举案齐眉的梁鸿与孟光隐居山中、举案齐眉多么相似,生活清贫,却充满清欢。
我相信,您的日子将就是像早上逐渐明亮起来的天空,其光彩将映照在台阶、庭院之上,而您的如兰似玉的孩子将陆续诞生。

幽梦里,我的心声将传达出来;
伤心就伤心吧!随它继续下去。
即便如此,我仍要笑卓文君的丈夫你卑劣可耻。
然而,先生您有没有听过《周南·汉广》那首歌?里面的年轻人思无邪,上天使得他可休憇于高大的乔木之下。
可以想见,你右手相携夫人,左手抱着琴书,将隐居在云雾缭绕的地方。

东坡的这首《满江红》作于宋神宗元丰五年(1082年)三月,记录了董毅夫与柳氏忧患与共的一腔深情,以典代言,寓意深刻,情怀旷达,生动感人(东坡在这首词里所以会笑话司马相如,是因他既携卓文君出逃,后又因贫困原因接受她娘家的大笔资助)。其时董毅夫经过大半年的折腾,从四川回江西的路上到了黄州,与东坡见面。而东坡这首《满江红》所描述的对象,其心态与受“乌台诗案”牵连被贬岭南的王安国与其侍妾柔奴很是相似,那一句“此心安处是吾乡”抚慰了游子几百年。(参见《人在旅途(45)

东坡笔下的雪(五):此心安处》)我觉得,人生旅途上有许多困难与问题,如何对待之,理念与心态是其中最重要的。 https://t.cn/A6XrAfkz


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