12年一轮回：双黑洞共舞纵穿吸积盘，“你中有我我中有你”

美国宇航局（NASA）斯皮策（Spitzer）太空望远镜即将退役，但在其服役16.5年所观察的现象将是未来多年研究主题。比如说，斯皮策是唯一一个观察到远星系OJ287中心发生的令人震惊现象的望远镜：一个黑洞围绕超大质量黑洞(SMBH)运动，并定期会穿过其吸积盘。

每当小黑洞穿过吸积盘时，都会产生比银河系所有恒星发光总和还要强烈的闪光。通过斯皮策的观测数据，国际天文学家小组得以创建相关模型，可准确预测闪光发生时间与较小黑洞的运动轨道。这个发现不仅演示了广义相对论，而且也是对斯蒂芬·霍金的“黑洞无毛定理”的验证。

位于距地球35亿光年的OJ287星系通常被誉为'耀变体’，即具有异常活跃的星系核并从其中心喷发高能量粒子的星系。在其中心是超大质量黑洞（SMBH），质量约为太阳180亿倍，为迄今人类发现最大黑洞， 银河系中心（射手座）的黑洞也才约为太阳质量的40倍。

在这数十年里，天文学家意识到该黑洞的双星性质，并推测它的同伴，那个约为太阳质量1.5亿倍的黑洞，每12年完成一次公转，每次公转会撞击超大质量黑洞（SMBH）吸积盘两次。这些碰撞会产生膨胀的热气气泡（耀斑），这些气泡会偏移吸积盘并发出极强光。

这些耀斑被称作'埃丁顿耀斑’，为纪念1919年亚瑟·爱丁顿爵士日全食观测一百年。这个伟大的观测证实了在其四年前阿尔伯特·爱因斯坦正式提出的广义相对论。

因为小型黑洞的运行轨道不规则，它每十二年都会偏离轨道一些，且与吸积盘的角度发生倾斜。这意味着在运行周期中，它每次与吸积盘相撞产生耀斑的时间将不一。但只要天文学家意识到其双星属性，他们就可以尝试构架准确预测下一次耀斑发生的模型。

2010年，科学家们首次成功构建预测耀斑发生模型，该模型可提前1-3周预测耀斑的发生。2015年12月，通过该模型成功提前3周预测到耀斑的发生，证明了这一模型的可靠性。直到2018年，该团队构建了一个更加准确可靠的模型，可提前4周预测到闪光的发生。

图：OJ289星系的双黑洞系统。天文观察者们证实了这一模型的准确性。图源土耳其大学（University of TurkuIn）。该团队最近运用斯皮策望远镜的观测数据成功预测到2019年7月31日那天会出现耀斑，证实这一预测模型的准确性。最近，一篇名为“斯皮策望远镜对耀变体OJ287爱丁顿耀斑的观测结果 ”的论文记录了这一发现，发表在了天文物理期刊快讯（the Astrophysical Journal Letters）上。

当时OJ287星系位于太阳的对面一侧，因此天文观察者们能观测到耀斑实属幸运。斯皮策望远镜的观测范围十分广阔，最远可观测到距地球2.54亿千米远的地方，因此7月31日那天我们可以观测到该星系。9月以前用斯皮策都可以观测到OJ287星系，9月份的时候该星系就不再为太阳所遮挡。

塞薄·莱恩（Seppo Laine）是加州理工学院的一名副高级资深科学家，同时也是这篇论文的第一作者，由他负责监测用斯皮策望远镜对OJ287星系进行观测得到的数据。他在NASA最近召开的一次新闻发布会上说道：

“当我第一次观测到OJ287星系的时候，对于可以用斯皮策望远镜观测到该星系，我大吃一惊，因为那天正好是我们预测到可以观测到下一次耀斑出现的时间。能用斯皮策望远镜观测到耀斑活动最剧烈的时刻，是我们的幸运。这世上没有第二台人造设备可以在那一刻完成如此壮举”

艺术家们对于射手座A的设想，一个位于星系中央的巨型黑洞。图源NASA/JPL

OJ287星系经预测会发出重力波，天文学家在地球上可以用激光干涉引力波天文台（LIGO）等设备观测到。事实上，该星系产生的引力波威力巨大，将大大改变小黑洞的运行轨迹（因此，也将改变耀斑发光时间）。

之前关于OJ 287星系的研究已经对引力波做了一些阐释，但是2018年的模型是迄今为止最详细的。通过将激光干涉引力波观测台（LIGO）自2015年起获取的信息纳入这一模型，团队能将耀斑预计持续时间缩短到正好1.5天。为了进一步完善他们的预测，他们也将较大黑洞物理特征的细节考虑进去了。

值得一提的是，这一新模型结合了黑洞无毛定理，这一定理最初由包括史蒂芬霍金在内的一物理学家小组在20世纪60年代提出。这一定理预测黑洞的“表面”，或者更准确的说，黑洞的外边界（即事件视界）沿着其旋转轴是完全轴对称的。团队借此将预测模型缩短了几个小时。

通过比较精确地预测较小黑洞的运行轨道，新模型是支持黑洞无毛定理的。模型还证实了另一个预测，其由加州理工学院的名誉教授基普索恩在20世纪70年代所做，他描述了一个天体环绕特大质量黑洞的运行方式会揭示它的表面到底是对称的还是“多毛的”。

一幅艺术家关于黑洞和它的吸积盘的想象图。图源：欧洲空间局/哈勃，欧南台，M.科恩梅斯

解释一黑洞到底是不是光滑而对称的很重要，因为这决定了较小黑洞轨道运行时间。当一个轨道的问题主要在于质量的时候，质量的分布也就同样重要。所以如果一个黑洞是“多毛的”，它将对任何环绕它运行的物体有着显著的影响。

简而言之，OJ 287星系支持黑洞表面沿其旋转轴是对称的理论。“我们证实或是否定黑洞无毛定理，对于研究黑洞的科学家来说是很重要的，”图尔库大学的天文物理学家，同时也是这一论文的合著者莫里瓦尔顿这样说道，“如果没有它，我们根本不能相信由霍金和其他物理学家所设想的黑洞是存在的。”

这就是像斯皮策这样望远镜的使命。（相信）在它们退休很久之后，这些曾在它们服役期间取得的成绩也会持续影响着科学的发现和突破。永别了，斯皮策。另外也感谢所有关于宇宙的红外数据！

作者：universetoday

FY：Astronomical volunteer team

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联合署名：小弭、BrutLee、

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排版：零度星系

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://www.universetoday.com/145935/supermassive-black-hole-orbits-an-even-more-massive-black-hole-crashing-through-its-accretion-disk-every-12-years/

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