科学家发现五对超大质量双黑洞
超大质量黑洞对的示意图
图片来源：NASA/CXC/A.Hobart
近日，天文学家们证认了一批星系中心的超大质量双黑洞。这一发现将有助于天文学家们更好地理解巨大的黑洞是如何生长，并且如何产生宇宙中最强的引力波信号的。
新的证据揭示了五对超大质量双黑洞，每一对双黑洞都包含了数百万倍太阳质量。这些双黑洞形成于两个星系碰撞并相互并合的时候，这一过程促使它们的超大质量黑洞相互靠近。
这些双黑洞的证认工作结合了来自NASA的钱德拉X射线天文台、广域红外巡天探测器（WISE）和位于亚利桑那州的地基的大双筒望远镜的数据。
这幅图像展示了天文学家们新近证认的五对新的超大质量黑洞对中的两对。证认工作结合了来自NASA的钱德拉X射线天文台、广域红外巡天探测器（WISE）和位于亚利桑那州的地基的大双筒望远镜的数据。
图片来源：Credits: X-ray (J122104): NASA/CXC/George Mason Univ./S.Satyapal et al.; X-ray (J140737): NASA/CXC/Univ. of Victoria/S.Ellison et al.; Optical: SDSS; Illustration: NASA/CXC/A.Hobart
“天文学家们在全宇宙中找到了单个的超大质量黑洞，”来自弗吉尼亚州费尔法克斯的乔治梅森大学的Shobita Satyapal说，他是描述这些结果的两篇文章之一的第一作者。“不过，尽管我们已经预测超大质量双黑洞在相互作用时生长迅速，生长中的超大质量双黑洞一直都很难搜寻。
在这项研究之前，仅有不到十对从X射线研究中被发现的超大质量双黑洞得到证实，它们当中大多数都是偶然被探测到的。为了实现系统性的搜索，研究团队必须仔细筛选来自不同波段望远镜的数据。
由星系动物园（Galaxy Zoo）项目开始，研究人员们使用了斯隆数字化巡天（SDSS）的可见光数据来证认由看上去正在并合的两个小星系组成的星系。从这一数据集中，他们选择了SDSS数据中两个星系之间的间隔小于30000光年的目标；同时，这些目标来自WISE数据的红外颜色可以和理论预言的快速生长的超大质量黑洞的红外颜色相匹配。
有七个包含至少一个超大质量黑洞的并合系统是通过这种技术找到的。因为强X射线辐射是生长中的超大质量黑洞的标志，Satyapal和他的同事们接着使用钱德拉天文台观测了这些系统。在这其中的5个系统中找到了相隔很近的X射线源，这为它们都包含两个正在生长（或者进食）的超大质量黑洞提供了极强的证据。
不论是来自钱德拉的X射线数据还是红外观测，都显示超大质量双黑洞埋藏在大量的尘埃与气体当中。
“我们的工作显示，将红外选源和X射线后续观测相结合是一个非常有效的寻找这些黑洞对的方法。” 描述研究成果的另一文章第一作者，加拿大维多利亚大学的Sara Ellison说，“X射线和红外辐射可以透过笼罩在这些黑洞对周围的气体和尘埃云，而将两个黑洞区分开则要用到视觉敏锐的钱德拉望远镜。”
Ellison领导的文章在确定一个新黑洞对时，还使用了来自阿帕奇天文台描绘近邻星系（MaNGA）巡天项目的可见光数据。这对黑洞中的一个成员能量极大，其X射线光度在目前为止钱德拉观测到的双黑洞中是最高的。
这项工作对于迅速发展的引力波天体物理学也有意义。激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家已经探测到了并合双黑洞的引力波信号，这些黑洞质量只在8到36倍太阳质量的小范围内变动。
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双黑洞之旅
星系中心并合的黑洞就大多了。当这些超大质量黑洞相互间靠得越来越近时，它们也会产生引力波。经过数亿年后，超大质量双黑洞最终会并合成一个更大的黑洞。这个过程伴随着部分质量向引力波的转化，产生难以想象的巨大能量。
“了解超大质量双黑洞的普遍程度，对于引力波天文台预测目标信号十分重要。”Satyapal说，“现在是研究并合黑洞的绝佳时期，因为已有的实验已经摆在面前，还有未来的实验亟待开展。我们正处于探索宇宙新时代的早期。
LIGO并不能探测到来自超大质量双黑洞的引力波。而脉冲星计时阵列正在开展这一类搜寻，比如北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）。未来，太空激光干涉仪（LISA）也会搜寻这一类引力波。
Satyapal等人的文章报告了四对双黑洞候选体，最近已被《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）接收，并可以在线查阅（https://arxiv.org/abs/1707.03921）。Ellison等人的文章报告了另一对双黑洞候选体，已在《皇家天文学会月刊》2017年9月刊上发表，并且可在线查阅（https://arxiv.org/abs/1705.05465）。
位于亚拉巴马州亨茨维尔的NASA的马歇尔空间中心为华盛顿的NASA的科学任务理事会管理钱德拉项目。位于马萨诸塞州剑桥的史密松天体物理台管理钱德拉的科学和飞行操作。
位于加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室为华盛顿的NASA的科学任务理事会管理和运行WISE巡天项目。位于犹他州洛根的空间动力学实验室负责制造科学仪器。位于科罗拉多州波德市的波尔航天科技公司制造了飞行器。科学运行和数据处理在加州理工/红外处理与分析中心（Caltech/IPAC）完成。加州理工为NASA管理喷气推进实验室（JPL）。
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