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不只有引力波,还发光?别急,让黑洞再飞一会儿

  黑色的太空里,两个黑洞合二为一 | 别看了,就是黑的

  黑暗深邃的太空,两个黑色的黑洞合二为一,并合成同样黑色的新黑洞。

  这个过程,黑黑得黑,通常是不发光的

  至少,大多数人之前是这么认为的。

  然而,不久前,一组天文学家宣称,他们可能看到了双黑洞并合事件导致的光亮。自引力波直接探测到黑洞并合以来,这还是破天荒的头一次。

  只不过,他们宣称看到的光亮,出现在引力波探测到双黑洞并合事件的足足35天之后。

  乍看上去,似乎不怎么靠谱啊……

  但看完他们对事情来龙去脉的解释之后,我承认,我的想像力还是太有限了。

  学天文这么多年,没想到还可以有这么科幻的景观出现在这个宇宙中。

  脑洞比《星际穿越》更大!

  在电影《星际穿越》里,我们见识过卡冈图雅的世界:一整个行星系统,不是围绕太阳这样的恒星,而是围着一个大约1亿倍太阳质量的超大黑洞旋转。

  

不只有引力波,还发光?别急,让黑洞再飞一会儿


  超大质量黑洞卡冈图雅和它的行星 | 电影《星际穿越》剧照

  这脑洞本已突破天际,但如果我们再进一步,把那些行星换成黑洞,再把行星的卫星也都换成黑洞呢?

  在卡冈图雅系统中,一个炽热的吸积盘围绕着中心超大质量黑洞高速旋转着——但它的尺度似乎局限在最内侧的行星以内。

  吸积盘,黑洞周边的物质盘,不只是尘埃盘这么简单。在争先恐后掉落向中心超大质量黑洞的过程中,吸积盘上的物质相互之间剧烈摩擦,可以达到极高的温度。这一过程的产能效率,甚至比核聚变还高出几十倍——最多可以把折合盘上物质四成多的质量转化成辐射释放出来,堪称宇宙中最强的垃圾燃烧发电(光)厂

  正因为如此,黑洞卡冈图雅才给周围的行星带来了光和热。而在真实的宇宙当中,一些黑洞也因此成为了宇宙中最明亮的天体。

  如果,我们再进一步,让这吸积盘拓展拓展,一直拓展到数百倍于日地距离以外,把所有由黑洞组成的“行星”和“卫星”全都淹没呢?

  炽热海洋里的双黑洞之舞

  几十倍于冥王星轨道大小的炽热海洋,翻卷着、咆哮着。出没其间的,是远比中心超大质量黑洞微小的恒星级黑洞——质量一般只有太阳的几十到上百倍。它们仿佛这片海洋中黑暗的游鱼,竞逐着、嬉戏着。

  

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  超大质量黑洞吸积盘中的恒星质量黑洞,艺术家想象图 | Caltech/R. Hurt (IPAC)

  当两个这样的小质量黑洞偶然纠缠在一起,它们以比武之姿相互绕转,试探、试探,越绕越近、越缠越紧——紧绷的气氛到最后一刹终于崩坏,随着一声凄厉的鸟鸣,两个黑洞终于合二为一了。

  这鸟鸣,搅动整个宇宙的时空,形成一阵阵引力波的涟漪向外扩散,直到上亿光年之外的地球。

  这一天,是地球上的2019年5月21日,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)观测到一起双黑洞并合引力波事件,编号S190521g。

  这就完了?不,还没。

  飞翔吧,黑洞,在吸积盘之上

  在那两个黑洞并合的一刹那,由于二者质量悬殊,引力波发射并不均衡。偏向一侧的引力波产生巨大的反作用力,让刚刚并合形成的新黑洞获得巨大的动能——

  它像一颗子弹,射了出去

  一颗在“海洋”中超音速飞行的子弹。

  这颗上百倍太阳质量的黑洞子弹,在吸积盘的炽热海洋中高歌猛进,所到之处,拉出一条由激波扩散形成的尾迹。

  然后,它飞出了那并不算太深的“海水”

  就像一只冲出海面、在十几米高空中“飞翔”的虎鲸。

  

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  “飞”出洋面的虎鲸 | Biosphoto/Christopher Swann

  且说那“水体”被高速撕开时拉出的激波,比“海洋”本身更加炽热,发出明亮的光。

  但稠密的吸积盘,却不允许这光子轻易逃逸出来。每一颗光子,都需要在跟“海水”碰撞摩擦几十天之后,才能钻出洋面。

  然后,它们同样飞向了广袤的太空——其中有那么些个光子,飞向了银河系,飞向太阳,飞向了地球。

  35天后,类星体异常增亮!

  就在观测到那起双黑洞并合引力波事件的35天之后,兹维基瞬变现象监测仪(Zwicky Transient Facility)在引力波可能源起的方向上,发现一个类星体突然增亮,持续了40天,然后才再度暗淡下去。

  

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  安装在1.2米口径塞缪尔·奥斯钦望远镜上的兹维基瞬变现象监测仪 | 美国加州理工光学天文台

  类星体,正是星系中心的超大质量黑洞因为吞噬大量物质、吸积盘发光发热而形成的宇宙中最明亮的一类天体

  那些天文学家脑洞大开,提出如此科幻的一个场景,把类星体的异常增亮跟双黑洞并合联系在了一起——

  由于稠密吸积盘的迟滞,我们接收到光子比接收到引力波迟了35天;又由于黑洞射穿吸积盘,飞出了吸积盘表面,于是激波导致的增亮没过多久便又消失了。

  事情真是这样的吗?也不一定

  毕竟以目前人类的观测手段,实在是看不清百亿光年之外,一个比太阳系大不了多少的超大黑洞周边,到底发生或者没有发生过什么。

  不过发表这篇论文的天文学家认为,他们已经排除了类星体正常光变、超新星、微引力透镜事件等其他原因的可能,双黑洞并合踹飞黑洞是目前可能性最大的解释

  那,如何才能进一步验证呢?

  飞翔在空中的虎鲸,总有掉回洋面的一刻;飞翔在吸积盘上空的黑洞,也会有重新落入“汪洋”之时——按照那些天文学家的推算,倒是等不了太久,大约也就几年而已。

  现在天文学家已经锁定目标,加强监测,就等着捕捉黑洞“入水”再次激起的璀璨浪花了。

  参考文献

  [1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab4886

  [2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.251102

  [3] https://physics.aps.org/articles/v13/101

  [4] https://physics.aps.org/articles/v12/120
[5] https://www.syfy.com/syfywire/merging-black-holes-blast-out-light-but-not-for-the-reason-youd-think

  作者:刘博洋

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