類星體盤可能會發(fā)生黑洞碰撞事件 _類星體

漫畫中突出了二元形成機制的關(guān)鍵階段，作為模擬中的快照。第一個畫面顯示了孤立黑洞周圍的“迷你”圓盤，它們在畫面2和3中彼此相遇并相互結(jié)合。之后，雙星通過與改造過的迷你圓盤的引力相互作用緩慢演化，迷你圓盤圍繞兩個黑洞旋轉(zhuǎn) 。鳴謝:Connar Rowan等人。
據(jù)皇家天文學(xué)會：隨著引力波的發(fā)現(xiàn)，新的研究揭示了可能導(dǎo)致黑洞合并事件的環(huán)境。這項工作由牛津大學(xué)的博士生Connar Rowan在本周的2023年國家天文學(xué)會議上提出。
首批引力波最初由阿爾伯特·愛因斯坦在1916年預(yù)測，于2015年在地球上被探測到。然而，確定它們在宇宙中的起源一直是一個懸而未決的問題。要在如此遙遠的距離上被探測到，我們觀察到的引力波只能來自彼此非常接近的大型高密度物體對，如黑洞或中子星雙星。現(xiàn)在已經(jīng)有超過90次這樣的探測，盡管允許這些物體足夠接近以發(fā)射引力波的主要天體物理環(huán)境仍然是一個謎。
黑洞可能經(jīng)歷頻繁合并的一個可能環(huán)境是類星體。類星體是一個強大的活動星系核，由超大質(zhì)量黑洞提供動力。一個致密的氣體盤圍繞著接近光速的超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了極其明亮的輻射。
恒星質(zhì)量黑洞與超大質(zhì)量黑洞氣體盤的相互作用非常復(fù)雜，需要復(fù)雜的計算機模擬才能理解。在這項新的研究中，來自牛津大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家團隊檢查了這種嵌入圓盤的恒星質(zhì)量黑洞的行為。這項工作表明，恒星質(zhì)量的黑洞可以被拖入致密的類星體氣體盤中，并通過相互之間以及與盤中氣體的引力相互作用被迫進入雙星系統(tǒng) 。
該團隊對包含兩個恒星質(zhì)量黑洞的類星體氣體盤進行了高分辨率模擬。模擬的目的是看看黑洞是否被引力束縛的雙星系統(tǒng)捕獲，并可能在以后的時間在氣體盤中合并。這些模擬使用了2500萬個氣體粒子來模擬遭遇期間的復(fù)雜氣流，每次模擬需要大約三個月的計算運行時間。

黑洞雙星形成機制的圖解。圍繞一個超大質(zhì)量黑洞運行的兩個孤立黑洞在超大質(zhì)量黑洞周圍的大氣體盤中相遇。引力相互作用以及與氣體的相互作用從兩個黑洞中移除能量，使它們保持束縛。鳴謝:Connar Rowan等人。
模擬顯示，氣體在相遇過程中降低了黑洞的速度，因此通常只會分開的黑洞仍然受到引力的束縛，被困在彼此的軌道上，同時它們又繞著超大質(zhì)量黑洞運行。這是通過它們之間的重力牽引以及圓盤和單個黑洞周圍的單個“迷你”圓盤中的大量氣體流的混合而發(fā)生的。
此外，類似于空氣阻力的直接氣體阻力也發(fā)揮了作用，氣體沿著它們的路徑被黑洞“吃掉”，迫使它們減速。作為通過引力相互作用吸收黑洞動能的反應(yīng) ，氣體在遭遇后立即猛烈噴射。這一結(jié)果出現(xiàn)在大多數(shù)模擬中，并證實了先前的預(yù)期，即氣體極大地促進了黑洞被束縛成對。
還發(fā)現(xiàn)黑洞的軌道方向會影響它們的演化。在一半的逆行雙星中——在這些雙星系統(tǒng)中，黑洞以與它們圍繞超大質(zhì)量黑洞的軌道相反的方向相互軌道運行——黑洞可以足夠接近以產(chǎn)生顯著的引力波，并通過這些波發(fā)射非常迅速地消耗它們的軌道能量，非常突然地合并。
研究負責(zé)人Rowan說，“這些模擬解決了兩個主要問題:氣體能否催化黑洞雙星的形成，如果是這樣，它們最終能否靠得更近并合并？對于這個解釋觀測到的引力波信號起源的過程，兩個答案都需要是肯定的。”
“這些結(jié)果令人難以置信地興奮，因為它們驗證了超大質(zhì)量黑洞盤中的黑洞合并可以發(fā)生，并可能解釋我們今天觀察到的許多或大多數(shù)引力波信號，”研究論文的合著者Bence Kocsis教授說。
“如果今天或未來觀察到的事件中有相當大的一部分是由這種現(xiàn)象引起的，我們應(yīng)該能夠看到類星體和天空中的引力波源之間的直接聯(lián)系，”哥倫比亞大學(xué)的佐爾坦·海曼教授補充道，他是該研究論文的另一位合著者。