超大質量黑洞模型預測碰撞時的特徵光信號

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】羅徹斯特理工學院的研究人員說，對超大質量黑洞的一種新的模擬，使用了一個現實的場景來預測周圍氣體在質量碰撞前發出的光信號。這一研究表明，利用現有的兩種信息渠道(即電磁和引力波)，預測超大質量黑洞的合併將是第一步。這兩種途徑被稱為「multimessenger天體物理學」。這一發現發表在《天體物理學雜誌快報》上的論文「雙黑洞接近合併的微型磁碟的准周期行為」。RIT的計算相對論和引力中心的研究人員博士後研究員Dennis Bowen說：已經完成了第一個模擬，在一個雙星黑洞周圍的吸積盤，在廣義相對論和磁鈴動力學的每個黑洞周圍，提供了單個吸積盤。

在一個大型氣體盤中央的兩個超大質量黑洞，在一個由RIT科學家模擬的時間序列上發生碰撞。上面顯示的是氣體的交替流動，並耗盡了供給黑洞的微型磁碟。氣體中發出的特徵光信號可以標記出看不見的物體的位置。圖片版權：RIT Center for Computational Relativity and Gravitation

不像他們那些不那麼大的表親，在2016年首次發現，超大質量黑洞是由環繞在周圍的氣體盤，像甜甜圈一樣。黑洞的強大引力吸引了另一個黑洞的熱量，並破壞了從盤到黑洞的氣體流動，並在可見到x射線部分的電磁波譜中釋放出周期性的信號。沒有看到兩個超大質量黑洞的接近，提供了這些合併在望遠鏡中會是什麼樣子的第一個暗示，微型吸積極盤的填充和填充會影響光的特徵。

模擬模型模擬了一對雙星的超大質量黑洞，每個黑洞都被自己的氣盤包圍著。一個大得多的氣盤環繞著黑洞，不均勻地向另一個小圓盤上注入一個小圓盤，從而導致了紙上描述的填充和再填充循環。計算相對論和引力中心的主任Manuela Campanelli說：進化的時間足以研究真正的科學結果會是什麼樣子。在較低的頻率下，兩個超大質量黑洞的引力波比恆星質量的黑洞大。2016年地面激光干涉引力波天文台探測到來自恆星質量黑洞的第一次引力波與一種調到更高頻率的儀器發生碰撞。LIGO的靈敏度無法觀測到超大質量黑洞合併產生的引力波信號。

太空激光干涉儀（LISA）將於本世紀30年代發射，將探測到在宇宙中碰撞超大質量黑洞的引力波。在本世紀20年代，在智利Cerro Pachon建造的地面大型綜合光學測量望遠鏡(LSST)將產生宇宙中最廣泛、最深入的光排放測量。在RIT研究中預測的信號模式可以指導科學家們對超大質量黑洞進行軌道運行。Bowen說：在multimessenger天體物理學的時代，像這樣的模擬需要對伴隨引力波的電磁信號進行直接預測，這是朝著模擬的最終目標邁出的第一步，它能夠直接預測即將合併的二進位黑洞的電磁信號。Bowen和他的合作者們將RIT的黑洞實驗室計算機集群和位於伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的超級計算應用中心的Blue Waters超級計算機結合在一起，這是美國最大的超級計算機之一。

在RIT科學家的模擬中，一對超大質量黑洞的磁場線在一個巨大的氣體盤中接近合併。氣體盤上的周期光信號有一天會幫助科學家找到超大質量的雙星黑洞。圖片版權：RIT Center for Computational Relativity and Gravitation

來自RIT的天體物理學家，約翰霍普金斯大學和美國航天局戈達德太空飛行中心合作完成了這個項目。這本書的作者是鮑恩博士的博士論文，並完成了論文的合著者斯科特·諾布爾(Scott Noble)的研究，他曾是一名RIT博士後研究員，現在供職於NASA戈達德。他們的研究是由坎帕內利領導的國家科學基金會資助的一個項目的一部分。共同作者包括：Vassilios Mewes, RIT博士後研究員;Miguel Zilhao，前RIT博士後研究員，現在在葡萄牙的里斯本大學;Julian Krolik，約翰霍普金斯大學的物理學和天文學教授。在一篇即將發表的論文中，作者將進一步探討氣體在吸積盤的進出與波動的光排放之間的相關性。科學家們將在尋找即將合併的超大質量黑洞時，用先進的望遠鏡觀測到光特徵的預測。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：天體物理期刊

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：羅切斯特理工大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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