北大天文学家关于超大质量双黑洞与吸积盘相互作用的理论预言得到观测证实

最近,一组波兰天文学家在国际著名天文期刊《Monthly Notice of Royal Astronomical Society》上公布了一个具有奇特射电结构的星系CGCG 292-057。观测显示:(1)该星系处于星系合并的晚期;(2)在>过去一亿年内,其射电喷流显著改变指向,然后发生中断;(3)新的喷流在大约一百万年前重新开始喷发。这类天体的发现,证实了北京大学的刘富坤教授和吴学兵教授等人早在十年前提出的“双黑洞与吸积盘>相互作用理论”,为探测星系核心的超大质量双黑洞及其并合产生的引力波提供了新的依据。

图1:[插图a]:刘富坤等提出的“双黑洞与吸积盘相互作用理论”预言:(1)由星系合并形成的双黑洞演化到后期将与吸积盘作用;(2)双黑洞与非共面 吸积盘的相互作用将改变中心黑洞的自转方向,从而改变大尺度喷流的方向;(3)演化到引力波辐射阶段的双黑洞会清空吸积盘的内区,造成气体吸积流的中止,从而导致喷流中断。[插图b]:CGCG 292-057具有 显著的星系合并特征。[插图c]:CGCG 292-057的射电图像显示:喷流的方向在过去一亿年内发生过显著改变(outer lobes),并且新的喷流大约在一百万年前重新形成(inner lobes)

近十余年的天文观测表明,几乎所有具有核球结构的近邻星系中心都存在比太阳重百万倍以上的“超大质量黑洞”。天文学家普遍认为,宇宙深处的类星体以及从类星体喷射出的大尺度射电结构(“喷流”),很可>能是由超大质量黑洞从周围吸收气体形成“吸积盘”并且沿黑洞自转轴方向抛射等离子体而造成的。目前流行的冷暗物质宇宙学认为星系是通过不断合并而增长的,因此合并后星系中心很可能形成一对“超大质量双 黑洞”。双黑洞并合所产生的引力波辐射是目前欧美正在建造中的引力波探测器“激光干涉仪空间天线”的主要探测目标。对这些双黑洞引力波的观测除检验现代宇宙学模型和爱因斯坦广义相对论外,还将开启引力 波天文学和引力波宇宙学。然而如何利用现有的天文设备在电磁波段探测双黑洞、从而为引力波源精确定位,仍是目前双黑洞以及引力波研究领域的关键难题。

北京大学物理学院天文系的刘富坤教授长期从事双黑洞可观测特性方面的理论研究。自2002年起,刘富坤教授与其合作者吴学兵教授等人一起深入研究双黑洞与吸积盘之间的相互作用,并于2003、2004年在国际>期刊Monthly Notice of the Royal Astronomical Society上发表论文阐述该理论及其可观测性。该理论预言:(1)由星系合并形成的双黑洞演化到后期将与吸积盘作用;(2)双黑洞与非共面吸积盘的相互作>用将改变中心黑洞的自转方向,从而改变大尺度喷流的方向;(3)演化到引力波辐射阶段的双黑洞会清空吸积盘的内区,造成气体吸积流的中止,从而导致喷流中断。刘富坤教授等发表的两篇相关研究论文在国 际上已产生重要影响,至今已被引用90余次。该研究成果也被973天文项目《21世纪天体物理重大问题-星系形成和演化》评为亮点工作之一。

新发现的合并星系CGCG 292-057具有“大尺度喷流变向、小尺度喷流中断”的特征,完全符合上述理论的预言,而目前其他的理论不能解释“同一个星系中喷流既变向又再中断,同时该星系还处于合并状态”这一观>测事实。该观测研究成果发表在最近一期《Monthly Notice of Royal Astronomical Society》上。文章在结论部分特别指出:CGCG 292-057的发现验证了刘富坤等人提出的双黑洞与吸积盘相互作用理论,对该>星系的进一步研究将有助于人们理解双黑洞对星系形成和演化的影响。