“死星”类星体在天空中隐现:哈勃在合并星系中发现了双类星体

双类星体

这个模拟显示了一对类星体发出的明亮闪烁的光。天文学家在最近的一项研究中推断,闪烁的光是两个类星体存在的迹象,而不是单个物体。信贷:NASA、ESA和J。奥尔姆斯特德(STScI)

看到双类星体就像大海捞针

本港居民银河系生活在几十亿年后的星系将会有一个明显不同的天空。两个明亮的物体,每一个都像满月一样明亮或更明亮,将用它们的光芒淹没星星。这些巨大的闪亮灯泡是一对类星体,是由于我们的银河系与邻近的仙女座星系碰撞而产生的。

类星体是由贪婪地吞食坠落物质的巨型黑洞点燃的,并释放出一股辐射洪流。银河系和仙女座星系的中心就有这样的黑洞,它们现在是沉睡的巨人。也就是说,直到大爆炸发生。二人组将是致命的,因为它是耀眼的。来自这对类星体的炽热辐射可能会使行星表面绝灭,消灭无数外星文明。

这个“死星”与天空中若隐若现的类星体决斗的故事看起来像是科幻电影中的场景。但真实的宇宙比小说还要离奇。这实际上是一个发生在很久以前和遥远的两对星系之间的故事。这四个星系,每个都包含一个中央的明亮的类星体,正在合并的过程中。随着类星体对中的两个星系越来越近,它们的类星体也越来越近。哈勃抓拍到了这一过程,拍摄了存在于100亿年前的两对类星体,当时正是星系近距离接触的高峰时期。这一发现为探测早期宇宙中可能无法探测到的星系间的碰撞提供了一种独特的方法。古老的类星体散落在天空的各个地方,所以发现这些动态的星体是偶然的。天文学家估计一千颗类星体中只有一颗是真正的双类星体。

双类星体

这两张哈勃太空望远镜的图像显示了两对类星体,它们存在于100亿年前,位于合并星系的中心。这四个类星体中的每一个都位于一个主星系中。然而,这些星系无法被看到,因为它们太暗了,即使是哈勃望远镜也无法观测到。每对类星体之间的距离只有大约10,000光年——这是这个宇宙时代所见过的最近的类星体。来源:美国宇航局,欧洲航天局,H. Hwang和N. Zakamska(约翰霍普金斯大学),Y. Shen(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校)

美国国家航空航天局哈勃太空望远镜“看到两只。”回顾100亿年前的宇宙历史,哈勃望远镜的天文学家发现了一对类星体,它们彼此非常接近,在地面望远镜的照片上看起来就像一个单一的物体,但在哈勃的清晰图像中却不是。

研究人员认为,这两个类星体彼此非常接近,因为它们位于两个合并星系的核心。该团队在另一个碰撞星系中发现了另一对类星体,从而赢得了“每日双子星”的冠军。

类星体是来自遥远星系中心的强光灯塔,它的光芒可以超过整个星系。它是由一个超大质量的发动机驱动的黑洞贪婪地吞食膨胀的物质,释放出一股辐射洪流。

“我们估计,在遥远的宇宙中,每1000个类星体中,就有一个双类星体。因此,发现这些双类星体就像大海捞针。”伊利诺伊大学香槟分校的首席研究员沈岳说。

研究人员说,这四颗类星体的发现为探索星系间的碰撞和早期宇宙中超大质量黑洞的合并提供了一种新方法。

类星体散布在天空中,在100亿年前是最丰富的。当时有很多星系合并,为黑洞提供能量。因此,天文学家推断在那个时期应该有很多双类星体。

马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的研究小组成员纳迪亚·扎卡姆斯卡(Nadia Zakamska)说:“这确实是第一个处于星系形成高峰期的双类星体样本,我们可以利用它来探索超大质量黑洞是如何聚集在一起最终形成双星的想法。”

该研究小组的研究结果发表在4月1日的《华尔街日报》在线版上自然天文学.

双类星体图解

这幅艺术家的构想展示了两个类星体的灿烂光芒,它们位于两个星系的核心,而这两个星系正处于混沌的合并过程中。两个星系之间的引力拉力赛将它们拉扯开来,形成长长的潮汐尾巴,并引发了恒星诞生的风暴。类星体是来自遥远星系中心的强光的耀眼灯塔。它们的动力来自于超大质量黑洞,它们贪婪地吞食着坠落的物质。这种疯狂的进食释放出了一股辐射洪流,其光芒超过了宿主星系中数十亿颗恒星的光芒。
在几千万年后,黑洞和它们的星系将合并,类星体对也将合并,形成一个更大的黑洞。几十亿年后,当我们的银河系与邻近的仙女座星系合并时,类似的一系列事件将会发生。
信贷:NASA、ESA和J。奥尔姆斯特德(STScI)

沈和扎卡姆斯卡是一个团队的成员,他们正在使用哈勃望远镜、欧洲航天局的盖亚太空天文台、斯隆数字天空调查,以及几架地面望远镜,对早期宇宙中的类星体对进行一次强有力的普查。

研究人员说,这些观测非常重要,因为类星体在星系相遇中的作用在星系形成中起着关键作用。当两个紧密的星系开始在引力上相互扭曲时,它们的相互作用将物质导入各自的黑洞,点燃它们的类星体。

随着时间的推移,来自这些高强度“灯泡”的辐射发射出强大的星系风,将合并星系中的大部分气体吹走。由于缺乏气体,恒星形成停止,星系演化成椭圆星系。

“类星体对宇宙中的星系形成产生了深远的影响,”Zakamska说。“在这个早期时期发现双类星体是很重要的,因为我们现在可以验证我们长期以来的想法,即黑洞和它们的宿主星系是如何一起进化的。”

迄今为止,天文学家在合并星系中发现了100多个双类星体。然而,在这项研究中,它们都没有两个双类星体那么古老。

哈勃的图像显示,每对类星体之间的距离仅为10000光年。相比之下,我们的太阳距离银河系中心的超大质量黑洞26000光年。

这对宿主星系最终会合并,然后类星体也会合并,产生一个更大的、单独的黑洞。

找到他们并不容易。哈勃望远镜是唯一一架视野足够清晰的望远镜,能够回顾早期宇宙,并分辨出两个离地球如此之远的近距离类星体。然而,哈勃望远镜的高分辨率不足以找到这些双光信标。


这个模拟显示了一对类星体发出的明亮闪烁的光。天文学家在最近的一项研究中推断,闪烁的光是两个类星体存在的迹象,而不是单个物体。信贷:NASA、ESA和J。奥尔姆斯特德(STScI)

天文学家首先需要弄清楚哈勃指向哪里来研究它们。挑战在于,天空被100亿年前爆发生命的古老类星体所覆盖,其中只有一小部分是双子星。这需要一种富有想象力和创新的技术,需要欧洲航天局的盖亚卫星和地面斯隆数字天空调查的帮助,来汇编一组可供哈勃观测的候选卫星。

斯隆望远镜位于新墨西哥州的阿帕奇点天文台,可以绘制出天空中物体的三维地图。该团队通过斯隆的调查来确定类星体,以进行更深入的研究。

研究人员随后征召盖亚天文台帮助确定潜在的双类星体候选星。盖亚非常精确地测量附近天体的位置、距离和运动。但该团队为盖亚设计了一个新的创新应用程序,可用于探索遥远的宇宙。他们利用天文台的数据库搜索模拟附近恒星视运动的类星体。类星体在Gaia数据中显示为单个对象。然而,盖亚可以在它观察到的一些类星体的表面位置上发现一个微妙的、意想不到的“抖动”。

类星体并没有以任何可测量的方式在空间中移动,但它们的抖动可能是光的随机波动的证据,因为类星体对的每个成员的亮度都不同。类星体的亮度在几天到几个月的时间尺度上闪烁,这取决于它们黑洞的供养时间表。

这对类星体之间的亮度变化类似于从远处看到铁路穿越信号。当静止信号两边的灯交替闪烁时,标志给人一种“抖动”的错觉。

当用哈勃望远镜观察前四个目标时,它清晰的视觉显示其中两个目标是两对相近的类星体。研究人员说,这是一个“灵光一闪的时刻”,验证了他们的计划,即利用斯隆、盖亚和哈勃寻找古老的、难以捉摸的双重动力。

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组成员刘欣(音)称哈勃望远镜的发现是一个“惊喜”。长期以来,她一直在使用地面望远镜的不同技术寻找离地球更近的双类星体。她说:“这项新技术不仅可以发现更远的双类星体,而且比我们以前使用的方法更有效。”

他们在《自然-天文学》杂志上发表的文章是一个“概念的证明,它真正证明了我们对双类星体的目标搜索是非常有效的,”研究小组成员黄相志(Hsiang-Chih Hwang)说。黄相志是约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的研究生,也是哈勃项目的首席研究员。“它打开了一个新方向,我们可以积累更多有趣的系统来跟踪,这是天文学家以前的技术或数据集无法做到的。”

该团队还获得了美国国家科学基金会NOIRLab双子望远镜的后续观测结果。“双子座的空间分辨光谱学可以明确地拒绝入侵者,因为不相关的恒星类星体系统的偶然叠加,前景恒星碰巧与背景类星体对齐,”研究小组成员、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生陈玉庆(音)说。

尽管研究小组确信他们的结果,但他们说,哈勃快照捕捉到同一类星体的双重图像的可能性很小,这是由引力透镜造成的错觉。当一个巨大的前景星系的引力分裂并将背景类星体发出的光放大为两个镜像时,就会发生这种现象。然而,研究人员认为这种情况极不可能发生,因为哈勃没有在这两对类星体附近探测到任何前景星系。

数十亿年前,银河系的合并更为丰富,但今天仍有少数合并发生。一个例子是NGC6240,一个附近的星系合并系统,有两个甚至三个超大质量黑洞。几十亿年后,当我们的银河系与邻近的仙女座星系碰撞时,一个更紧密的星系合并将发生。银河系的争斗很可能会助长每个星系核心的超大质量黑洞,将它们作为类星体点燃。

未来的望远镜可能会提供更多关于这些合并系统的信息。美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜,一个计划于今年晚些时候发射的红外天文台,将探测类星体的主星系。韦伯将展示星系合并的特征,例如星光的分布和从相互作用的星系中拖出的长长的气体流。

参考文献:“天体测量揭示的高红移双类星体的隐藏种群”,沈越,陈玉清,黄向志,刘欣,Nadia Zakamska, Masamune Oguri, Jennifer I-Hsiu Li, Joseph Lazio and Peter breding, 2021年4月1日,自然天文学.
内政部:10.1038/s41550-021-01323-1

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间的国际合作项目。位于马里兰州绿带的美国宇航局戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃科学行动。STScI由华盛顿特区天文学研究大学协会为美国宇航局运营。

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