天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜

天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜 两个超大质量黑洞的合并是一个早已被预测到的现象，尽管从未被直接观测到过。天文学家提出的一个理论是，这些系统的质量如此之大，以至于它们耗尽了宿主星系中驱动合并所需的恒星物质。利用双子座北望远镜的档案数据，一个天文学家小组发现了一个双黑洞，为这一观点提供了有力的证据。据研究小组估计，这个双黑洞的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今为止测量到的最重的双黑洞。这次测量不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量黑洞双星的质量在阻止超大质量黑洞合并方面起着关键作用。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M.Zamani几乎每个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合并时，它们的黑洞会形成一对双星，这意味着它们处于相互束缚的轨道上。据推测，这些双星最终会合并，但这一现象从未被观测到过[1]。几十年来，天文学家们一直在讨论这样的事件是否可能发生。在最近发表于《天体物理学报》（TheAstrophysical Journal）的一篇论文中，一个天文学家小组提出了对这一问题的新见解。一个天文学家小组利用由美国国家科学基金会NOIRLab 负责运行的双子座北望远镜（国际双子座天文台的一半）提供的档案数据，测量出了迄今发现的最重的一对超大质量黑洞。两个超大质量黑洞的合并是一种早已被预测到的现象，但从未被观测到过。这对超大质量黑洞提供了一些线索，说明为什么宇宙中发生这种事件的可能性如此之小。双子座北区前所未有的洞察力研究小组利用夏威夷双子座北望远镜（由美国国家科学基金会资助的NOIRLab运行的国际双子座天文台的二分之一）的数据，分析了位于椭圆星系B2 0402+379内的一个超大质量黑洞双星。这是迄今为止唯一一个被分辨得足够详细，可以分别看到两个天体的超大质量黑洞双星，[2]而且它还保持着迄今为止直接测量到的最小间隔记录仅仅 24 光年[3]。虽然如此接近的分离预示着强大的合并，但进一步的研究发现，这对天体已经在这个距离上停滞了 30 多亿年，这不禁让人产生疑问：是什么阻碍了合并？双黑洞合并的挑战为了更好地了解这个系统的动态及其停止的合并，研究小组研究了双子座北区的双子座多目标摄谱仪（GMOS）的档案数据，这些数据使他们能够确定黑洞附近恒星的速度。"GMOS出色的灵敏度使我们能够测绘出恒星在靠近星系中心时的速度，"论文共同作者、斯坦福大学物理学教授罗杰-罗曼尼（Roger Romani）说。"有了这些，我们就能推断出居住在那里的黑洞的总质量。"据研究小组估计，这对双星的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今测量到的最重的双黑洞。这一测量结果不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量双黑洞的质量在阻止潜在合并中起着关键作用[4]。"为国际双子座天文台提供服务的数据档案蕴藏着一座尚未开发的科学发现金矿，"国家科学基金会国际双子座天文台项目主任马丁-斯蒂尔说，"对这个极端超大质量双黑洞的质量测量是一个令人敬畏的例子，说明了探索这一丰富档案的新研究可能产生的影响。"二进制系统的形成与未来了解这个双星是如何形成的，有助于预测它是否以及何时会合并一些线索表明，这对双星是通过多个星系合并形成的。首先，B2 0402+379 是一个"化石星系团"，这意味着它是整个星系团的恒星和气体合并成一个大质量星系的结果。此外，两个超大质量黑洞的存在，加上它们巨大的总质量，表明它们是由多个星系的多个较小黑洞合并而成的。星系合并后，超大质量黑洞不会正面相撞。相反，当它们进入一个有束缚的轨道时，就会开始互相弹射。它们每经过对方一次，能量就会从黑洞传递到周围的恒星。随着它们能量的流失，这对黑洞被越拖越近，直到相距仅有一光年时，引力辐射占据上风，它们才会合并。这一过程已经在成对恒星质量的黑洞中被直接观测到有史以来的第一次记录是在2015年通过引力波的探测但从未在超大质量的双星中观测到过。停滞不前的合并与未来联合的可能性通过对该星系巨大质量的新了解，研究小组得出结论，需要有数量特别多的恒星才能减缓双星轨道的速度，使它们如此接近。在这个过程中，黑洞似乎甩掉了它们附近几乎所有的物质，使得星系核心缺少恒星和气体。由于没有更多的物质来进一步减缓这对天体的轨道，它们的合并在最后阶段停滞了。罗曼尼说："通常情况下，黑洞对较轻的星系似乎有足够的恒星和质量来驱动两者迅速结合在一起。由于这对黑洞非常重，因此需要大量恒星和气体来完成这项工作。但是这对黑洞已经将中央星系中的这些物质清除干净，使它停滞不前，可供我们研究。"这对天体究竟会克服停滞状态，最终以数百万年的时间尺度合并，还是永远继续在轨道上徘徊，目前尚无定论。如果它们真的合并，产生的引力波将比恒星质量的黑洞合并产生的引力波强大一亿倍。这对天体有可能通过另一次星系合并来征服最后的距离，这将为星系注入更多的物质，或者有可能是第三个黑洞，从而使这对天体的轨道慢到足以合并。不过，鉴于B2 0402+379是一个化石星系团，另一个星系合并的可能性不大。"我们期待着对B2 0402+379的内核进行后续调查，我们将研究其中存在多少气体，"论文第一作者、斯坦福大学本科生Tirth Surti说。"这应该能让我们更深入地了解超大质量黑洞最终能否合并，或者它们是否会作为双星搁浅。"说明虽然有证据表明超大质量黑洞之间的距离只有几光年，但似乎没有一个黑洞能够跨越这个最终距离。关于这种事件是否可能发生的问题被称为"最终-秒差距问题"，几十年来一直是天文学家们讨论的话题。以前曾对含有两个超大质量黑洞的星系进行过观测，但在这些情况下，它们相距数千光年太远了，不可能像在 B2 0402+379 中发现的双星那样处于相互结合的轨道上。其他黑洞动力源的距离可能更小，不过这些都是通过间接观测推断出来的，因此最好归类为候选双星。这一理论最早是由贝格尔曼等人于 1980 年提出的，根据数十年来对星系中心的观测，这一理论一直被认为是存在的。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家首次探测到银河系以外大质量恒星的磁性

天文学家首次探测到银河系以外大质量恒星的磁性 新发现揭示了磁性对恒星演化以及中子星和黑洞形成的影响。先进的分光测向技术的使用对于克服过去的观测难题至关重要。值得注意的是，磁性被认为是大质量恒星演化过程中的一个关键组成部分，对它们的最终命运有着深远的影响。最初质量超过 8 个太阳质量的大质量恒星在演化结束时会留下中子星和黑洞。引力波天文台已经观测到这种紧凑残余系统的壮观合并事件。此外，理论研究提出了大质量恒星爆炸的磁机制，与伽马射线暴、X 射线闪光和超新星有关。这项研究的第一作者、波茨坦莱布尼兹天体物理研究所（AIP）的斯韦特拉娜-胡布里奇（Swetlana Hubrig）博士说："对具有年轻恒星群的星系中的大质量恒星的磁场进行研究，为了解磁场在早期宇宙恒星形成过程中的作用提供了重要信息。"距离地球约 20 万光年的南半球星空中，小麦哲伦云中最巨大的恒星形成区 NGC346，位于巨嘴鸟座。资料来源：NASA、ESA、安迪-詹姆斯（STScI）测量恒星磁性的挑战恒星磁场是利用光谱极化测量法测量的。为此，要记录圆偏振星光，并研究光谱线的最小变化。不过，为了达到必要的偏振测量精度，这种方法需要高质量的数据。"这种方法对光子极为渴求。这是一个特殊的挑战，因为在我们的邻近星系大麦哲伦云和小麦哲伦云中观测时，即使是最亮的大质量恒星（其质量超过 8 个太阳质量）也是相对弱光的，"来自 AIP 的 Silva Järvinen 博士解释道。由于这些条件，传统的高分辨率分光测色计和较小的望远镜都不适合进行此类研究。因此，我们使用了安装在欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜（VLT）四个 8 米望远镜之一上的低分辨率分光测极计 FORS2。检测领域的挑战与突破以前探测银河系外大质量恒星磁场的尝试并不成功。这些测量很复杂，取决于几个因素。使用圆偏振测量到的磁场被称为纵向磁场，它只对应于指向观察者方向的磁场分量。它类似于灯塔发出的光，当光束照向观察者时很容易看到。由于大质量恒星的磁场结构通常具有轴线倾斜于自转轴的全局偶极子特征，因此当观测者直视自转恒星的磁赤道时，纵向磁场强度在自转阶段可能为零。偏振信号的可探测性还取决于用于研究偏振的光谱特征的数量。最好能观测到更宽的光谱区域和更多的光谱特征。此外，较长的曝光时间对于记录信噪比足够高的偏振光谱至关重要。最新观察和研究结果考虑到这些重要因素，研究小组对麦哲伦云中的五颗大质量恒星进行了光谱测量观测。在位于小麦哲伦星云中最大规模恒星形成区 NGC346 核心内的两颗推测为单星的恒星（其光谱特征是我们银河系中典型的磁性大质量恒星）和一个积极相互作用的大质量双星系统（Cl*NGC346 SSN7）中，他们成功地探测到了千高斯数量级的磁场。在太阳表面，只有在小的高磁化区域太阳黑子才能探测到如此强大的磁场。据报道，麦哲伦云中的磁场探测首次表明，在具有年轻恒星群的星系中，大质量恒星的形成过程与我们的银河系类似。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家用韦伯望远镜揭开宇宙最古老低质量星系的秘密

天文学家用韦伯望远镜揭开宇宙最古老低质量星系的秘密 罗格斯大学的天文学家利用詹姆斯-韦伯太空望远镜研究了沃尔夫-伦德马克-梅洛特星系，揭开了宇宙早期恒星形成的历史。他们的发现为星系如何演化以及温度在恒星形成中的作用提供了新的见解。资料来源：美国国家航空航天局面向宇宙的“考古发掘”艺术与科学学院物理与天文学系助理教授克里斯汀-麦奎恩（Kristen McQuinn）说："通过如此深入的观察和如此清晰的观察，我们已经能够有效地回到过去，基本上是在进行一种考古挖掘，寻找宇宙历史早期形成的低质量恒星。"她领导的这项研究发表在《天体物理学报》。McQuinn认为，罗格斯大学高级研究计算办公室管理的Amarel高性能计算集群使研究小组能够计算银河系的恒星发展史。这项研究的一个方面是将一次大规模计算重复600次。她补充说，这项重大计算工作还有助于确认望远镜校准和数据处理程序，这将使更广泛的科学界受益。WLM星系部分区域的两幅景象，一幅由美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄（左），另一幅由詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄。图片来源：Science：NASA, ESA, CSA, IPAC, Kristen McQuinn (RU), Image Processing：Zolt G. Levay（STScI），Alyssa Pagan（STScI）低质量星系的重要性麦奎恩对所谓的"低质量"星系特别感兴趣。因为它们被认为是早期宇宙的主宰，研究人员可以利用它们来研究恒星的形成、化学元素的演化以及恒星形成对星系气体和结构的影响。它们很微弱，分布在天空中，构成了本地宇宙中的大多数星系。像韦伯望远镜这样先进的望远镜让科学家们能够近距离观察它们。WLM是德国天文学家马克斯-沃尔夫（Max Wolf）于1909年发现的一个"不规则"星系，这意味着它不具有明显的形状，如螺旋形或椭圆形，瑞典天文学家克努特-伦德马克（Knut Lundmark）和英国天文学家菲力伯特-雅克-梅洛特（Philibert Jacques Melotte）于1926年对它进行了更详细的描述。它位于本星系群的外围，本星系群是一个哑铃状的星系群，其中包括银河系。麦奎因指出，由于位于本星系群的边缘，WLM免受了与其他星系交融的破坏，使其恒星群处于原始状态，有利于研究。天文学家之所以对WLM感兴趣，还因为它是一个充满活力的复杂星系，拥有大量气体，能够积极地形成恒星。WLM 银河系中的恒星形成为了了解银河系恒星形成的历史即恒星在宇宙不同时期的诞生速度，麦奎恩和她的团队利用这架望远镜煞费苦心地将包含成千上万颗恒星的天空区域归零。为了确定恒星的年龄，他们测量了恒星的颜色（代表温度）和亮度。麦奎因说："我们可以利用我们对恒星演化的了解，以及这些颜色和亮度所表明的情况，基本上确定星系恒星的年龄。"研究人员随后对不同年龄的恒星进行了计数，并绘制出了宇宙历史上恒星的诞生率。以这种方式对恒星进行编目向研究人员表明，随着时间的推移，WLM 产生恒星的能力在起伏。研究小组的观测结果证实了科学家们早些时候利用哈勃太空望远镜所做的评估，这些观测结果表明，在宇宙历史的早期，该星系曾在30亿年的时间里产生过恒星。它停顿了一段时间，然后又重新点燃。她相信这种停顿是由早期宇宙的特定条件造成的："那时的宇宙真的很热。我们认为，宇宙的温度最终加热了这个星系中的气体，使恒星的形成一度停止。冷却期持续了几十亿年，然后恒星形成再次开始。"这项研究是美国国家航空航天局"早期发布计划"的一部分，该计划指定科学家与太空望远镜科学研究所合作开展研究，旨在突出韦伯的能力，帮助天文学家为未来的观测做好准备。美国国家航空航天局于 2021 年 12 月发射了韦伯望远镜。这个大型镜面仪器在距离地球一百万英里的地方围绕太阳运行。科学家们争先恐后地在望远镜上研究一系列课题，包括早期宇宙的状况、太阳系的历史以及系外行星的搜寻。麦奎因说："这项计划将产生许多尚未完成的科学成果。"相关文章:韦伯望远镜在极端恒星环境中发现生命的前身：水和简单的有机分子 ... PC版： 手机版：

天文学家发现中子星环绕“不应该存在”的神秘天体运行

天文学家发现中子星环绕“不应该存在”的神秘天体运行 艺术家眼中的神秘双星系统 MPIfR; Daniëlle Futselaar ()天文学家利用南非的 MeerKAT 射电望远镜，在哥伦布星座一个名为 NGC 1851 的球状星团中发现了一颗脉冲星，从而揭开了这个谜团。脉冲星是一种具有强磁场的中子星，它产生的无线电波像灯塔的光束一样向四周扫射。当这些电波锥碰巧面向地球时，我们就会看到它们在有规律地跳动，脉冲星也因此而得名。天文学家利用南非的 MeerKAT 射电望远镜，在哥伦布星座一个名为 NGC 1851 的球状星团中发现了一颗脉冲星，从而揭开了这个谜团。脉冲星是一种具有强磁场的中子星，它产生的无线电波像灯塔的光束一样向四周扫射。当这些电波锥碰巧面向地球时，我们就会看到它们在有规律地跳动，脉冲星也因此而得名。由于这些信号是如此稳定和可预测，天文学家可以研究它们的时间，并计算出有关其周围环境的惊人信息量。在这种情况下，他们发现这颗脉冲星与另一个天体一起运行这时事情开始变得诡异起来。"当我们查看NGC 1851的哈勃图像时，我们在那个位置什么也没看到，"该研究的合著者Prajwal Voraganti Padmanabh说。"因此，与脉冲星在轨道上运行的天体不是一颗正常的恒星，而是一颗坍缩恒星的密度极高的残余物。"众所周知，这些坍缩的恒星残骸有两种形式：要么是另一颗中子星，要么是一个黑洞。但有一个问题这个天体被发现质量太大，不可能是一颗中子星，但质量不够大，不可能是一个黑洞。根据模型，中子星总是小于大约两个太阳质量，而黑洞永远不会轻于大约五个太阳质量。对宇宙的观测也证明了这一点紧凑的天体总是属于其中一类。总之，直到现在。新发现的这个天体的质量大约是太阳质量的 2.1 到 2.7 倍，完全符合既定的"质量差距"。这意味着，它可能是已知最重的中子星，也可能是已知最轻的黑洞或许，完全是另一种东西。这项研究的合著者保罗-弗莱雷（Paulo Freire）说："不管这个天体是什么，这都是一个令人兴奋的消息。如果它是一个黑洞，这将是已知的第一个脉冲星/黑洞系统，几十年来这一直是脉冲星天文学的圣杯。如果它是一颗中子星，这将对我们理解物质在这种惊人密度下的未知状态产生根本性影响。"研究人员提出，这个奇怪的系统实际上是由之前的两个双星系统形成的。其中一个包含两颗中子星，它们相撞后合并成一个小于平均水平的黑洞。而另一个系统则包含一颗中子星，它与另一颗恒星的轨道很近，前者从后者身上汲取物质。这个过程在宇宙中很常见，它将角动量传递给中子星，使其变成一颗快速旋转的脉冲星。另一颗恒星则变成了被称为白矮星的死壳。最终，黑洞闯入了双星系统，三个天体的复杂运动导致白矮星被抛出。这就形成了今天看到的脉冲星/黑洞系统。这并不是在质量间隙中发现的第一个天体。2019 年，引力波探测器捕捉到了一个 23 个太阳质量的黑洞吞食2.6 个太阳质量物体的信号。由于这是在天体被摧毁后才发现的，我们只能从中了解到这么多。值得庆幸的是，NGC 1851 有一个活着的黑洞，我们可以继续研究它。这项研究的合著者阿鲁尼玛-杜塔（Arunima Dutta）说："我们对这个系统的研究还没有结束。揭开伴星的真实面目将是我们了解中子星、黑洞以及黑洞质量间隙中可能潜藏的其他东西的一个转折点！"这项研究发表在《科学》杂志上。下面的视频展示了该系统的拟议形成过程。 ... PC版： 手机版：

天文学家首次成功测量了太空中快速运动的喷流速度

天文学家首次成功测量了太空中快速运动的喷流速度 这幅艺术家的印象图描绘了中子星上的核爆炸如何为从其磁极区喷射出的喷流提供能量。前景右侧中央有一个非常明亮的白球，代表中子星。白色/紫色细丝从它的极区流出。球的周围是一个朦胧的白色大球，即日冕，再往外则是一个圆盘，圆盘上有不同颜色的同心带，从圆盘内部的白色到中间的橙色，再到外部的红-洋红。一条橙色带将圆盘的外围部分与左上角的一个黄色-橙色-红色的大球体部分连接起来。这代表了中子星的伴星，为明亮的白色球体周围的圆盘提供能量。资料来源：Danielle Futselaar 和 Nathalie Degenaar，阿姆斯特丹大学安东-潘内科克研究所共同作者、华威大学物理系华威奖研究员雅各布-范登-艾因登（Jakob van den Eijnden）说："爆炸发生在中子星上，中子星密度惊人，因其巨大的引力而臭名昭著，这种引力使中子星从周围环境中吞噬气体只有黑洞才能超越这种引力。""这些物质大部分是来自附近一颗环绕运行的恒星的氢，它们向坍缩的恒星旋转，像雪一样落在恒星表面。随着越来越多的物质倾泻而下，引力场将其压缩，直至引发失控核爆炸。爆炸冲击喷流，喷流也从下坠的物质中喷射而出，并以极高的速度将粒子射入太空"。研究小组设计了一种方法，通过比较澳大利亚望远镜紧凑阵列（由澳大利亚国家科学机构CSIRO拥有和运营）和欧洲航天局（ESA）的Integral卫星接收到的X射线和无线电信号，来测量喷流的速度和特性。共同作者、意大利巴勒莫国家天体物理研究所的托马斯-罗素说："这为我们提供了一个完美的实验。我们有一个非常短暂的额外物质脉冲，它被射入喷流中，我们可以跟踪它在喷流中的移动，了解它的速度。"这段艺术动画展示了中子星上的核爆炸如何为其磁极区喷射出的射流提供能量。当中子星与另一颗恒星在轨道上运行时，中子星强大的引力场会"吸走"附近伴星的物质。这些物质卷向坍缩的天体，围绕着它形成一个圆盘，最终坠落到天体表面。中子星表面猛烈撞击的引力会压缩积累的物质（主要由氢组成），导致失控核爆炸。这反过来又引发喷流突然加强，并以极高的速度将粒子喷射到太空中。图片来源：ESA - 欧洲航天局 鸣谢：D：阿姆斯特丹大学的 D. Futselaar 和 N. Degenaar。工作由 ATG Medialab 根据与欧空局的合同完成Jakob van den Eijnden 补充说："这些爆炸每隔几个小时就会发生一次，但无法准确预测它们发生的时间。因此必须长时间盯着望远镜观测，希望能捕捉到几次爆发。在三天的观测中，我们看到了 10 次爆炸和喷射点亮。"喷射的飞行速度约为每秒 11.4 万公里，是光速的 35-40%，快得令人难以置信。这是天文学家第一次能够预测并直接观察到一定量的气体是如何被导入喷流并加速进入太空的。共同作者、荷兰阿姆斯特丹大学的 Nathalie Degenaar 继续说："根据以前的数据，我们认为爆炸会破坏射流发射的位置。但我们看到的情况恰恰相反：喷流的输入量很大，而不是中断。"研究人员认为，中子星和黑洞的质量和旋转也会对喷流产生影响。现在，这项研究已经证明这是可能的，它将为未来研究中子星及其喷流的实验提供蓝本。超新星爆炸和伽马射线暴等灾难性事件也会产生喷流。这项新成果将在许多宇宙研究中具有广泛的适用性。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因 在距离地球 8 亿光年的一个星系中，有一个超大质量黑洞，在 2020 年 12 月之前，它一直保持着相对安静的状态。当时，天文学家在电磁波谱的 X 射线部分探测到了一个微弱的"光"爆发。这次爆发的间隔异常规律，每隔 8.5 天就会出现一次。研究这一案例的国际天文学家小组认为，这一奇特现象类似于某种宇宙"打嗝"。最新发表的一项研究解释说，这些周期性的"打嗝"现象很可能是由两个黑洞相互绕行造成的，其中较小的奇点与位于遥远星系中心的超大质量黑洞的吸积盘发生碰撞。麻省理工学院研究科学家、论文合著者Dheeraj"DJ"Pasham指出，国际空间站上的NICER（中子星内部成分探测器）X射线望远镜在研究这些宇宙"小嗝"的发生过程中发挥了至关重要的作用。帕沙姆利用分配给他的时间将望远镜对准了发射 X 射线暴的星系。在收集了四个月的数据后，研究人员观察到高能辐射的下降周期为 8.5 天。帕沙姆说："这几乎就像一颗恒星的亮度在一颗行星穿过它的前方时会变暗一样，但在这种情况下，整个星系的亮度都受到了影响。"受捷克物理学家发表的关于超大质量黑洞有一个较小的轨道伴星的理论启发，帕沙姆利用自己通过NICER天文台收集的数据进行了模拟。数据支持了这一理论，但2020年12月突然出现的X射线暴之谜仍未解开。研究人员现在认为，这些光爆是由"潮汐破坏事件"（TDE）引起的。"潮汐破坏事件"是一场宇宙大灾难，涉及一颗恒星被黑洞的引力拉扯，然后被撕成碎片。TDE提供了足够的物质来丰富超大质量黑洞周围微弱的吸积盘，而吸积盘又受到穿过吸积盘的较小黑洞的干扰。帕沙姆现在认为，这些不寻常的双黑洞系统可能是宇宙中相对常见的现象。 ... PC版： 手机版：