研究人員探查圍繞超大質(zhì)量黑洞的恒星團(tuán)的特征

在銀河系的中心，數(shù)百萬顆恒星繞著一個超大質(zhì)量黑洞繞著軌道旋轉(zhuǎn)。對于靠近黑洞事件視界的恒星來說，這條電路可能要花費(fèi)幾個小時，而對于遙遠(yuǎn)的鄰居來說，這條電路可能需要數(shù)千年的時間。舞蹈的性質(zhì)(星辰如何通過其引力共同相互作用)可能因星系而異。

在2019年7月12日發(fā)表在《物理評論快報》上的論文《黑洞星團(tuán)中的有序無序相變》中，來自貝魯特美國大學(xué)和萊頓大學(xué)的高級研究所的科學(xué)家們邁出了第一步了解圍繞超質(zhì)量黑洞的星團(tuán)中出現(xiàn)的集體軌道模式。通過研究這些恒星團(tuán)及其演化過程，研究人員正在收集有關(guān)超大質(zhì)量黑洞的行為及其對恒星周圍環(huán)境的影響的新見解。

基于一系列數(shù)值模型和模擬，研究小組表明，當(dāng)黑洞星團(tuán)冷卻到臨界動態(tài)溫度以下時，它們會經(jīng)歷從球形到偏斜狀態(tài)的相變。在某種意義上，這種相變類似于液體變成固體時發(fā)生的相變。正如分子可能從無序液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮鼋Y(jié)狀態(tài)一樣，這些星團(tuán)根據(jù)其性質(zhì)和環(huán)境，能夠以無序(球形)或有序(傾斜)結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡。

該論文的三位作者之一，高級研究學(xué)院的理查德·布萊克(Richard Black)教授斯科特·特雷曼(Scott Tremaine)說：“這些系統(tǒng)表現(xiàn)出令人驚訝的豐富行為，與經(jīng)過充分研究的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)象如冷凍和鐵磁性有顯著的相似之處。” “這些新現(xiàn)象可能會極大地改變我們對超大質(zhì)量黑洞環(huán)境的理解，并增強(qiáng)我們對超大質(zhì)量黑洞合并的速率和性質(zhì)，黑洞對恒星的消耗以及星系中心其他現(xiàn)象的理解能力。”

在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的附近仙女座星系的影像中，可以看到一個圍繞著超大質(zhì)量黑洞的傾斜的核星團(tuán)。另一方面，最近由事件地平線望遠(yuǎn)鏡拍攝的我們家中的銀河系和M87則容納了球狀星團(tuán)。對于更遙遠(yuǎn)的星系，核星團(tuán)太小而無法用現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡成像，但團(tuán)簇的形狀可能會強(qiáng)烈影響我們可以觀察到的瞬態(tài)事件，例如潮汐擾動產(chǎn)生的耀斑和恒星旋轉(zhuǎn)成黑色的引力波信號洞。

另一位研究者吉哈德·圖瑪(Jihad Touma)表示：“目前的工作，不只是一種方式，是我們對黑洞星團(tuán)熱性質(zhì)的研究計劃的終結(jié)。這為研究它們對進(jìn)化和環(huán)境擾動的集體反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。”該論文的作者。“我們相信，我們已經(jīng)確定和分析的模型系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)性和通用性，足以在重力作用中扮演伊辛模型并繼續(xù)為磁性發(fā)揮作用。”

這段來自智利ESO超大型望遠(yuǎn)鏡上的NACO儀器的延時錄像顯示，恒星繞銀河系中心位于超大質(zhì)量黑洞的軌道運(yùn)行了近20年。圖片提供：歐洲南方天文臺(ESO)

為了確定自然界中這種相變發(fā)生的頻率，需要進(jìn)一步研究核星團(tuán)的形成和演化過程。但是，仙女座(我們的星系最近的大鄰居星系)中存在偏斜星團(tuán)，這表明這是宇宙中的一個普遍過程。

該研究小組由貝魯特美國大學(xué)的圣戰(zhàn)分子托馬(Jihad Touma)和自然科學(xué)學(xué)院的前IAS成員兼訪問者(2007–09; 2013–14; 2017)組成。高等研究院的Scott Tremaine;和萊頓大學(xué)的Mher Kazandjian。

此處提供了詳細(xì)介紹團(tuán)隊方法的論文鏈接。團(tuán)隊承認(rèn)使用IAS計算工具來執(zhí)行對其工作必不可少的計算。