我们银河系中心的超大质量黑洞可能有一个朋友

 
艺术家的两个探洞在重力探戈中交织在一起。图片来源：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Christopher Go超大质量黑洞有朋友吗?星系形成的性质表明答案是肯定的，实际上，成对的超大质量黑洞在宇宙中应该很常见。
我是一名天文学家，并且对天体物理学中的各种理论问题感兴趣，从最初的星系的形成到黑洞，恒星甚至行星的引力相互作用。黑洞是一个有趣的系统，超大质量的黑洞和围绕它们的密集恒星环境代表了我们宇宙中最极端的地方之一。
潜伏在银河系中心的超大质量黑洞称为Sgr A *，其质量约为太阳质量的400万倍。黑洞是太空中引力如此之强以至于粒子或光都无法从其逃逸的地方。 Sgr A *周围是密集的恒星簇。对这些恒星轨道的精确测量使天文学家能够确认该超大质量黑洞的存在并测量其质量。 20多年来，科学家一直在监视超大质量黑洞周围这些恒星的轨道。根据我们的观察，我和我的同事表明，如果那里有一个朋友，附近可能会有第二个黑洞，其质量至少是太阳质量的100,000倍。
超大质量黑洞和他们的朋友
几乎每个星系，包括我们的银河系，其中心都有一个超大质量的黑洞，其质量是太阳质量的数百万至数十亿倍。天文学家仍在研究为什么星系的心脏经常会出现一个超大质量的黑洞。一个流行的想法与超大质量孔有朋友的可能性有关。
在我们银河系的中心，有一个超大质量的黑洞，位于人马座A区。它的质量约为太阳质量的400万倍。信用：ESA–C。 Carreau要理解这个想法，我们需要回到宇宙大约1亿年的历史，回到第一个星系的时代。它们比今天的星系小得多，比银河系重约10,000倍或更多倍。在这些早期星系中，首批死亡的恒星产生了黑洞，其质量约为太阳的数万至上千。这些黑洞沉入重心，重心是宿主星系的心脏。由于星系是通过相互融合和碰撞而演化的，所以星系之间的碰撞将导致超大质量黑洞对-这是故事的关键部分。然后，黑洞会碰撞并增大。超过我们儿子质量一百万倍的黑洞被认为是超大质量的。
如果确实超大质量黑洞有一个朋友绕着它绕着公转，那么银河系的中心就锁定在复杂的舞蹈中。伙伴的引力拖船还将对附近扰乱其轨道的恒星施加自身的吸引力。两个超大质量黑洞相互环绕，同时，每个黑洞都对周围的恒星施加自己的吸引力。
黑洞的引力拉动这些恒星并使它们改变轨道。换句话说，在绕超大质量黑洞对旋转一圈之后，一颗恒星将不会精确地回到其开始的位置。
利用我们对可能的超大质量黑洞对与周围恒星之间引力相互作用的理解，天文学家可以预测恒星将发生什么。像我和我的同事一样的天体物理学家可以将我们的预测与观测结果进行比较，然后可以确定恒星的可能轨道，并找出超大质量黑洞是否具有正在施加引力影响的同伴。
使用一颗经过仔细研究的恒星，称为S0-2，每16年绕行一次位于银河系中心的超大质量黑洞，我们就可以排除存在第二个质量超过100,000倍的超大质量黑洞的想法。太阳的质量，其距离比太阳与地球之间的距离大200倍。如果有这样的同伴，那么我和我的同事们将会发现它对SO-2轨道的影响。
但这并不意味着较小的同伴黑洞仍无法隐藏在那里。这样的物体可能不会以我们可以轻松测量的方式改变SO-2的轨道。
他的第一个黑洞形象。这是位于M87星系中心的超大质量黑洞。图片来源：Event Horizo​​n Telescope Collaboration，CC BY-SA超大质量黑洞的物理学
超大质量黑洞最近引起了很多关注。特别是，最近在银河系M87中心出现这样一个巨人的图像打开了一个新的窗口，可以理解黑洞背后的物理现象。
银河系银河系中心的附近-仅24,000光年远-提供了一个独特的实验室来解决超大质量黑洞的基本物理学问题。例如，像我这样的天体物理学家想了解它们对星系中心区域的影响以及它们在星系形成和演化中的作用。在银河系中心发现一对超大质量黑洞将表明银河系在过去的某个时间与另一个可能很小的星系合并了。
监视周围的恒星并不能告诉我们所有这些。对恒星S0-2的测量使科学家能够对爱因斯坦的广义相对论进行独特的测试。 2018年5月，S0-2越过了超大质量黑洞，其距离仅为地球与太阳距离的130倍。根据爱因斯坦的理论，恒星发出的光的波长应在其从超大质量黑洞的深引力阱中爬升时伸展。
探测到爱因斯坦预测的拉伸波长(使恒星显得更红)，并证明了广义相对论准确地描述了这个极端引力区内的物理学。我热切期待第二次接近S0-2的方法，这种方法将在16年后出现，因为像我这样的天体物理学家将能够检验爱因斯坦对广义相对论的更多预测，包括恒星拉长轨道方向的变化。 。但是，如果超大质量黑洞有伴侣，这可能会改变预期结果。
这张NASA / ESA哈勃太空望远镜的图像显示了两个大型星系之间发生银河碰撞的结果。这颗新的恒星正在慢慢演变成一个巨大的椭圆星系。致谢：ESA /哈勃与NASA，致谢：朱迪·施密特最后，如果银河系中心有两个巨大的黑洞互相绕行，正如我的小组所建议的那样，它们将发出引力波。自2015年以来，LIGO-Virgo天文台一直在探测合并恒星质量黑洞和中子星产生的引力波辐射。这些突破性的发现为科学家感知宇宙开辟了一条新途径。
假设的黑洞对发出的任何波都将处于低频，这对于LIGO-Virgo探测器来说太低了。但是一个计划中的被称为LISA的天基探测器可能能够探测到这些波，这将帮助天体物理学家弄清楚我们银河系中心的黑洞是单独存在还是有伴侣存在。