【自然·通訊】發表我校物電學院舒新文教授課題組雙黑洞探測的重要成果

來源:安徽師范大學

 

近日,我校物電學院舒新文教授研究小組在一個河外星系中發現了一對互相繞轉的超大質量雙黑洞吞噬恒星的罕見天文現象。這是天體物理學家迄今為止在正常星系中發現的第二例超大質量雙黑洞繞轉系統。該研究成果近日在線發表于國際頂級期刊《自然·通訊》(Nature Communications),主要合作者包括中科院國家天文臺、中國科學技術大學、廣州大學、上海天文臺、中山大學以及北京大學的科研人員。

當今主流的星系等級成團理論預言宇宙中應存在大量的超大質量雙黑洞系統。然而,即便是經過了30多年的研究,天文學家僅在少數幾個活動的星系中找到了超大質量雙黑洞。由安徽師范大學舒新文教授領導的國內研究團隊,以黑洞引力潮汐瓦解恒星事件為突破口,監測事件發生后X射線輻射的演化特性,最終成功發現迄今為止人類已知的第二例雙黑洞引力潮汐撕裂恒星的罕見現象。該成果對于刻畫正常星系中休眠雙黑洞的分布、揭露星系增長和宇宙大尺度結構形成機制、檢驗現有的引力理論、以及為下一代引力波探測器提供有效波源等研究領域都具有重要意義。

    黑洞是廣義相對論預言的奇妙天體,具有獨特的時空結構,存在視界面,即進入視界面的所有物質包括光線都無法逃脫并最終落入奇點。英國牛津大學彭羅斯教授因為黑洞奇點的理論研究成就獲得2020年度諾貝爾物理學獎。目前已知的黑洞大致分為兩大類:第一類是大質量恒星死亡后遺留的產物,質量在幾倍到幾十倍太陽質量之間,稱作恒星級黑洞;另一類質量為太陽的百萬倍以上,稱為超大質量黑洞,一般位于星系的核心。2015年人類首次探測到恒星級黑洞并合觸發的引力波事件(2017年諾貝爾物理學獎),開啟了引力波與電磁輻射相結合的多信使天體物理學研究時代。根據現有等級成團星系演化理論,宇宙中應存在大量的超大質量雙黑洞系統。然而,即便是經過了30多年的研究,天文學家僅在少數幾個活動的星系中找到了超大質量雙黑洞。如何尋找和探測超大質量雙黑洞系統是當今物理學和天文學最重要的前沿問題之一。

  當一個恒星運動到太靠近黑洞的位置時會被其強大潮汐引力撕裂瓦解,進而被黑洞吞噬,同時釋放出短暫的劇烈電磁波輻射,稱為黑洞潮汐撕裂恒星事件。通過探測星系中心的X-射線或紫外/光學閃耀信號,可以窺視黑洞如何影響周圍物質的行為。理論計算表明當互相繞轉的超大質量雙黑洞之一潮汐撕裂恒星產生X射線閃耀時,另外一個黑洞的引力會間歇性阻斷被瓦解的恒星碎片內流,導致X-射線閃耀急劇變暗進而恢復亮度的奇特光變圖案。研究團隊通過分析美國宇航局Swift衛星和歐洲空間局XMM-Newton衛星觀測資料,在一個距離地球約26億光年之遙的星系中成功發現了理論預言的急劇變暗和可重復的X射線閃耀現象,給出雙黑洞吞噬恒星的強烈觀測證據。這是繼論文的合作者、北京大學劉富坤團隊發現首例雙黑洞吞噬恒星事件后的第二例此類罕見天文現象,對揭示正常星系中休眠雙黑洞的分布、構建黑洞潮汐撕裂恒星的全景演化圖像、檢驗現有的引力理論、以及為下一代引力波探測器提供有效波源具有重要意義。

  據悉,這是我校物理學科首次以第一作者單位在《自然》子刊系列發表研究論文,博士研究生張文杰負責了NASA/Swift衛星和ESA/XMM-Newton衛星觀測數據處理和分析,2018級物理學專業本科生宋左子菲參與了論文配圖的設計。研究工作得到了國家自然科學基金項目的支持。

 

 

《自然·通訊》論文的鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19675-z

 


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