劉富坤教授等關(guān)于“黑洞”被評(píng)選為我國2011年度十大天文科技進(jìn)展

　　北京大學(xué)在職研究生頻道訊：由中國天文學(xué)會(huì)和中國科學(xué)院國家天文臺(tái)共同組織、在全國范圍內(nèi)開展的“2011年度十大天文科技進(jìn)展”評(píng)選活動(dòng)近日?qǐng)A滿結(jié)束，并于9月13日向公眾公布評(píng)選結(jié)果。我校物理學(xué)院天文系劉富坤教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提交的科研成果“我國學(xué)者關(guān)于超大質(zhì)量雙黑洞與吸積盤相互作用的理論預(yù)言得到射電觀測證實(shí)”入選。本次評(píng)選活動(dòng)征集參選項(xiàng)目共計(jì)15項(xiàng)，其中參選“天文基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究類”的項(xiàng)目8項(xiàng)，參選“技術(shù)及設(shè)備發(fā)展和工程進(jìn)展類”的項(xiàng)目7項(xiàng)。經(jīng)有關(guān)天文單位的165位由教授和院士組成的專家投票評(píng)選，兩類項(xiàng)目中各有5項(xiàng)入選。劉富坤教授等的成果是本次十大天文科技進(jìn)展中唯一以高校牽頭的入選項(xiàng)目。

　　近十余年的天文觀測表明，幾乎所有具有核球結(jié)構(gòu)的近鄰星系中心都存在比太陽重百萬倍以上的“超大質(zhì)量黑洞”。天文學(xué)家普遍認(rèn)為，宇宙深處的類星體以及從類星體噴射出的大尺度等離子體噴流，很可能是由超大質(zhì)量黑洞從星系核環(huán)境吸積氣體形成環(huán)繞黑洞的“吸積盤”以及沿黑洞自轉(zhuǎn)軸方向拋射等離子體而形成的。目前流行的冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)認(rèn)為，星系是通過不斷合并而增長的，因此合并后星系中心很可能形成一對(duì)“超大質(zhì)量雙黑洞”。雙黑洞并合時(shí)所產(chǎn)生的引力波輻射是目前歐洲空間局(ESA)正在建造中的引力波探測器“激光干涉儀空間天線(eLISA)”以及“脈沖星計(jì)時(shí)陣引力波探測項(xiàng)目”的主要探測目標(biāo)。對(duì)這些雙黑洞的探測將檢驗(yàn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)星系等級(jí)形成理論、研究超大質(zhì)量黑洞的形成和增長、而探測其并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射除檢驗(yàn)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型和愛因斯坦廣義相對(duì)論外，還將開啟引力波天文學(xué)和引力波宇宙學(xué)。然而如何利用現(xiàn)有的天文設(shè)備在電磁波段探測雙黑洞、從而為引力波源精確定位并開展多信使天文學(xué)研究，仍是目前雙黑洞以及引力波研究領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。

　　物理學(xué)院天文系的劉富坤教授及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)長期從事雙黑洞及其可觀測特性方面的理論研究。自2002年起，劉富坤教授與其合作者吳學(xué)兵教授等從理論上深入研究了雙黑洞與吸積盤之間的相互作用，并分別于2003年和2004年在英國皇家天文學(xué)會(huì)月刊(Monthly Notice of the Royal Astronomical Society)340期第2卷、347期第4卷上發(fā)表論文提出“雙黑洞與吸積盤相互作用和并合理論”，并預(yù)言：(1)在星系合并晚期，形成的超大質(zhì)量雙黑洞將與吸積盤發(fā)生相互作用;(2)在雙黑洞的作用下，吸積盤將被扭曲、變形并隨后改變中心黑洞的自轉(zhuǎn)方向，從而導(dǎo)致大尺度噴流由一個(gè)方向改道另外一個(gè)方向;(3)演化到引力波輻射并合并的雙黑洞會(huì)清除吸積盤的內(nèi)區(qū)物質(zhì)，造成類星體活動(dòng)中止，噴流出現(xiàn)中斷之后再形成[參見圖1a]。

　　劉富坤教授等發(fā)表的兩篇相關(guān)研究論文在國際上已產(chǎn)生重要影響，至今已被引用90余次。其理論模型的預(yù)言最近被波蘭天文學(xué)家Kozie?-Wierzbowska等利用美國甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列(VLA)和印度巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡(GMRT)等對(duì)射電星系CGCG 292-057的觀測所證實(shí)[參見圖1b,1c]。Kozie?-Wierzbowska等的觀測表明：(1)CGCG 292-057星系處于星系合并的晚期;(2)在過去一億年內(nèi)，其射電噴流曾顯著改變形成方向，然后發(fā)生中斷;(3)大約一百萬年前新的噴流重新開始噴發(fā)。這一新發(fā)現(xiàn)的合并星系CGCG 292-057所具有的“處于星系并合晚期、大尺度噴流變向、小尺度噴流中斷”的特征，完全符合劉富坤教授等人的理論預(yù)言。Kozie?-Wierzbowska等人在其2012年5月發(fā)表在英國皇家天文學(xué)會(huì)月刊422期第2卷上的文章結(jié)論中特別指出：CGCG 292-057的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了劉富坤等人提出的雙黑洞與吸積盤相互作用理論，對(duì)該星系的進(jìn)一步研究將有助于人們理解雙黑洞對(duì)星系形成和演化的影響。

　　圖：[插圖a]：劉富坤等提出的“雙黑洞與吸積盤相互作用理論”預(yù)言：(1)由星系合并形成的雙黑洞演化到后期將與吸積盤作用;(2)雙黑洞與非共面吸積盤的相互作用將改變中心黑洞的自轉(zhuǎn)方向，從而改變大尺度噴流的方向;(3)演化到引力波輻射階段的雙黑洞會(huì)清空吸積盤的內(nèi)區(qū)，造成氣體吸積流的中止，從而導(dǎo)致噴流中斷。[插圖b]:CGCG 292-057具有顯著的星系合并特征。[插圖c]：CGCG 292-057的射電圖像顯示：噴流的方向在過去一億年內(nèi)發(fā)生過顯著改變(outer lobes)，并且新的噴流大約在一百萬年前重新形成(inner lobes)。

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