25 億光年外的兩個超大質量黑洞將相撞,有望解決「最終秒差距問題」

在 25 億光年外的星系中心有兩個超大質量黑洞(圖:A.D. GOULDING ET AL./ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS 2019)

日前由普林斯頓大學(Princeton University)安迪·古爾丁博士(Andy Goulding)帶領的研究團隊,發現一對正在逐漸靠近的超大質量黑洞(supermassive black holes)。兩者的質量均等於 8 億多個太陽,如此大的質量下,在相撞前產生的重力波(gravitational waves),將使先前偵測到的黑洞和中子星產生的重力波相形見絀。

最終秒差距問題

雖然這對黑洞距離地球 25 億光年,需約 25 億年的時間才有可能相撞,因此也許人類無法觀測到此事件,但其有望解決天文學界困惑已久的「最終秒差距問題」(final parsec problem)。最終秒差距問題即是,當兩個星系逐漸合併時,其中心的超大質量黑洞也會開始靠近,根據理論顯示兩個黑洞間的距離會在 1 秒差距(約 3.2 光年)後,就無法再縮短距離。

此最終秒差距的門檻是否為真仍尚未在觀測上證實,因兩個黑洞在遠大於 1 秒差距的距離時就無法在觀測上分辨出來,也無法有效觀測到此時的重力波。藉由此次研究團隊發現的兩個超大質量黑洞,科學家將有望揭開此謎題。

超大質量雙黑洞

雖然黑洞無法透過光學望遠鏡直接觀測,但在其周圍會吸引大量的明亮恆星和氣體。此外,研究團隊也發現在此星系中心發射出兩股不尋常的巨大氣體,使用哈伯望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀測後,發現其為兩個超大質量黑洞所形成的系統。

此觀測結果使研究團隊能估算在地球可觀測距離內有多少超大質量雙黑洞,比起先前僅使用電腦模擬星系合併的頻率更為精準。經計算後,研究團隊估算在此距離內共有 112 對超大質量黑洞。在此數量下, 5 年內有可能會出現第一對超大質量黑洞的碰撞。因此,若在五年內美國雷射干涉儀重力波天文台(LIGO)未偵測到任何超大質量黑洞碰撞的重力波,代表最終秒差距的門檻有可能是真的。

脈衝星

但超大質量雙黑洞產生的重力波頻率並非歐洲先進處女座干涉儀(Virgo)或 LIGO 的偵測範圍,因此研究團隊必須使用脈衝星(pulsars)偵測。脈衝星會快速旋轉產生規律的無線電波訊號,因此若重力波經過其傳送至地球的路徑時,此頻率就會產生變化。不過單一個脈衝星訊號被干擾的程度約僅有十年內數百毫微秒的變化,需透過許多脈衝星才能準確量測。藉此便能偵測到重力波強烈的超大質量黑洞碰撞所產生的訊號。

參考資料:

  1. EurekAlert. (n.d.). Pair of supermassive black holes discovered on a collision course. EurekAlert
  2. Goulding, A., et al., (2019, July 10). Discovery of a Close-separation Binary Quasar at the Heart of a z ~ 0.2 Merging Galaxy and Its Implications for Low-frequency Gravitational Waves. The Astrophysical Journal Letters DOI:10.3847/2041-8213/ab2a14
Kyle
編輯,臺灣科技大學材料科學與工程系學生,平日喜歡閱讀、騎車,衝浪。

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