BL Lac天体PKS0735+178的中心双黑洞模型结构研究

某些BL Lac天体的光变曲线显示的周期性通常被认为是天体中心存在的双黑洞模型的轨道运动所引起的,文章在这一假定模型的基础上,认为在BL Lac天体PKS 0735+178中心也可能存在着双黑洞并利用其光变时标及光变周期分析它的中心结构,通过计算得到主黑洞和次黑洞的质量分别为1.7109M⊙和2.88107M⊙以及它的轨道参数和双黑洞系统的寿命.

大质量双黑洞并合及其探测

观测表明在正常星系和活动星系核中一般存在一个百万到数十亿太阳质量的超大质量黑洞和大量的恒星级质量黑洞。同时,中等质量黑洞存在的证据也初露端倪。在宇宙形成后的几亿年内,观测发现一些超大质量黑洞就达到了百亿个太阳质量,这些超大质量黑洞的形成和增长过程仍然是一个谜。在星系形成的等级结构模型中,小星系通过不断的并合形成越来越大的星系,其星系中心的黑洞也经历着并合和吸积过程,逐渐形成今天观测到的不同红移处的超大质量黑洞。本文主要对黑洞基本特征、当前主要观测结果、中等质量黑洞候选体、种子黑洞以及超大质量黑洞与星系关系等做一个简单的综述,并对天琴对宇宙中大质量双黑洞的探测能力进行评估。对于这些大质量双黑洞引力波的分析,将可以有效帮助我们认识宇宙中大质量黑洞的特性以及超大质量黑洞的形成和演化历史。

双黑洞系统的不同起源及其参数分布

双黑洞组成的近密双星系统并合是激光干涉仪引力波天文台等地基引力波探测器的主要探测对象。随着探测器灵敏度的提高,大量该类信号的探测将成为进一步研究黑洞物理的有效工具。但是目前对双黑洞系统的起源机制和内禀参数分布等物理问题的研究还不够深入,例如由引力波探测得到的黑洞质量分布与X射线双星观测的结果存在较大差异,还未有很好的理论模型可解释该结果。目前普遍认为双黑洞系统主要有两种起源:大质量双星演化机制和动力学起源机制。基于这两类起源的双黑洞系统在质量、自旋分布等方面存在差异。因此可在贝叶斯理论框架下,利用引力波信号携带的波源质量和自旋等信息,推断波源起源,计算不同起源的双黑洞系统所占比例,以及检验质量自旋等参数分布的差异。

双黑洞并合与黑洞逆向吸积

黑洞是广义相对论理论预言的天体,也是很多天文现象,如类星体、活动星系核、喷流、吸积盘的中心引擎。根据广义相对论,宇宙中的黑洞可以由质量和自旋两个参数来描述。对比黑洞质量的测定,自旋的测量较为困难。但自旋的方向与很多天文现象密切相关。如果黑洞自旋方向与吸积盘的转动方向一致,将形成正向吸积的天文现象;反之,如果黑洞自旋的与吸积盘的转动方向相反,将形成逆向吸积的天文现象。利用宽线区尺度与光学光度之间的关系,最近的研究发现了逆向吸积盘的可能候选体。利用双黑洞并合的物理图像提出了一种逆向吸积盘的物理形成机制,并定量计算了相关的逆向吸积盘形成率。发现了超大质量双黑洞系统的质量比分布与类星体逆向吸积盘的形成率之间存在定量关系,该定量关系可以通过未来的空间引力波探测以及逆向吸积盘的探测进行检验。

科学家发现双黑洞吞噬恒星现象

安徽师范大学研究小组在一个银河外星系中发现了一对互相绕转的超大质量双黑洞吞噬恒星的罕见天文现象。这是天体物理学家迄今为止在常规星系中发现的第二例超大质量双黑洞绕转系统。黑洞具有独特的时空结构,进入其视界面的所有物质包括光线都无法逃脱。当一个恒星太靠近黑洞时,会被其强大潮汐引力撕裂瓦解,进而被吞噬,同时释放出短暂的剧烈电磁波辐射。每个星系每10万年才会发生1次黑洞潮汐撕裂恒星事件,概率为十万分之一。尽管经过了30多年的研究,天文学家也仅在少数几个活动星系中发现超大质量双黑洞。超大质量双黑洞系统的探测和研究对揭露宇宙中最早期巨型黑洞的成长机制、宇宙引力波现象的产生和变化规律,乃至对宇宙及其基本物理规律的探索都有着非常重要的意义。

宇宙中的双黑洞

在星系形成的等级结构模型中,亚星系的结构先形成,之后再不断地通过并合形成越来越大的星系.伴随着星系的并合,星系中心的大质量黑洞也不断经历并合.在富气体星系的并合过程中,气体落入星系的中心,可能触发恒星的形成和黑洞的吸积.黑洞不断通过并合和气体吸积,从小到大形成现在观测到的在不同红移处的超大质量黑洞,因此,在星系的演化过程中,不同红移处必然存在很多大质量黑洞双体系统,甚至三体系统.本文将主要对宇宙中大质量双黑洞的观测和理论做一个简要的评述.美国升级后的激光干涉引力波天文台宣称首次直接探测到了引力波,该引力波源为几十倍太阳质量黑洞双星的并合.这么大质量的致密双黑洞是如何形成的?它们的并合率为什么这么高?本文也会简单提及恒星级双黑洞的形成和演化模型.

双星对称黑洞模型及其时空特征

对称分布的双星黑洞具有单一黑洞所不具有的性态 ,它可以解释已观测到的天体的某些现象 ,如反物质存在问题、黑洞封闭性问题、宇宙膨胀与收缩问题、能量吸收与释放问题、巨大能量来源问题。

双黑洞并合引力波探测评述

2016年2月11日,美国科学家宣布首次直接探测到了引力波,本文介绍了此次引力波探测的背景、LIGO探测器设备、探测结果的可信性分析以及LIGO下一步的探测计划。

Kerr-Newman-Kasuya双荷黑洞隧穿辐射的改进新研究

本文首先通过坐标变换得到了新的Kerr-Newman-Kasuya双荷黑洞解形式。然后运用Euler-Lagrange变分原理,在一般坐标系下对Kerr-Newman-Kasuya双荷黑洞的类时和类光测地线方程作了新的统一推导,并利用Parikh-Wilczek建议的半经典隧穿方法,对有质量带电粒子在Kerr-Newman-Kasuya双荷黑洞视界附近的隧穿辐射作了新的研究,通过计算得到其隧穿几率。研究表明Kerr-Newman-Kasuya双荷黑洞这一类转动黑洞的隧穿辐射可以在一般坐标系下进行分析。

互卦黑洞现象浅说

互卦变卦规则近似于"蜕变-裂变"规则,其变卦结果是摄入互卦黑洞,这与天文学的黑洞和数学的数字黑洞在现象上也是相类似的,其中最为典型的就是"既济-未济"的双黑洞现象,与天文学上的双黑洞现象更是惊人相似。借助黑洞现象,揭示互卦变卦过程,可以更好地诠释变易、不易、简易的"三易"观。

黑洞交会的引力波探测

球状星团和星系核中拥有非常密集的恒星质量黑洞,当两个黑洞相互靠近时,会形成偏心率极高的轨道并发射引力波。该类信号的探测将有助于黑洞物理的进一步研究,加强对黑洞种群的理解。然而,这类引力波尚未被探测到,在当前的研究里没有被广泛考虑。因此,研究它的可探测性是重要的。根据数值相对论模拟,最近的研究给出了抛物线黑洞交会的准确波形。利用引力波搜索工具Minke,在总质量和距离两个参数空间里制作了大规模的数据集,并定量计算了探测范围。结果表明,黑洞交会产生的引力波很可能是当前地基探测器的潜在探测对象,同时,下一代引力波探测器明显扩大了探测范围。最后讨论了如何判断并合信号为黑洞俘获的热点问题。利用信号在两种采样器下的后验分布,提出了一种区分方法。通过比较不同的后验,发现双黑洞并合与黑洞俘获信号在并合时间t_(0)上存在显著差异,这将有助于在并合样本中区分这两种波源。

多少恒星成黑洞?

知道了宇宙中恒星级质量黑洞的总数,可以帮助人类进一步理解宇宙“巨型怪兽”是如何从“轻种子”黑洞生长起来的,进而可以让人们对恒星演化、星系演化等基本天体物理过程有更深刻的认识,对双黑洞系统的形成渠道有更清楚的分辨,对双星演化涉及的物理过程有更好的理解。黑洞,宇宙中最神秘的天体之一,它的起源和形成讲述着宇宙的过去和未来。黑洞在宇宙中占比多少?对宇宙有多大影响?科学家一直在寻找答案。

太空30多亿年的黑洞“二人转”

最近,在一个不再诞生恒星的远古星系中,科学家发现了一个双黑洞系统。这两个黑洞的总质量约为280亿倍太阳质量,它们彼此环绕,相距24光年,这是迄今科学家发现的最接近的双黑洞系统。尽管它们距离非常接近,但这两个“怪物”在30多亿年的时间里一直保持距离,而不像其他双黑洞系统一样一互相靠近,碰撞并合并。

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。

BL Lac天体Mrk421X射线辐射流量变化特性研究

利用Swift/BAT望远镜的观测数据,获得BL Lac天体Mrk 421从2005年2月12日到2012年11月26日在硬X射线15～50 keV能段上的辐射流量变化曲线。用离散相关函数(Discrete Correlation Function,DCF)方法、Jurkevich方法和功率谱方法对Mrk 421在X射线波段的辐射流量变化周期进行了分析。分析结果表明,3种周期分析方法得到的结果基本一致,Mrk 421在X射线波段存在(1.7±0.1)yr和(3.7±0.1)yr的变化周期,其中3.7 yr的周期值与Li等人在射电22 GHz、37 GHz波段获得的3.95 yr周期值基本一致。用双黑洞系统的轨道运动驱动引起喷流的非弹道螺旋运动模型解释Mrk 421在X射线波段存在的1.7 yr变化周期。

量纲分析在引力波物理中的应用

流体力学是许多量纲分析书中讲解最多的物理问题.但实际上,量纲分析是物理学中功能强大、普适性强的一种分析方法.本文以量纲分析在引力波物理中的应用为例子,让读者深入体会量纲分析方法的普适性.特别地,在双黑洞并合系统的引力波理论模板建立过程中,双黑洞总质量被当作是无关紧要的物理参数.其原因在通常文献中只是若明若暗的被提及.本文用量纲分析的方法展示,上述结论即使是对于超越广义相对论的一般引力理论也是成立的.所以本文不仅清楚地论述了上述结论在广义相对论框架下成立的理由,还为以后基于超越广义相对论的一般引力理论建立引力波理论模板提供一些帮助.

ω-变形Kaluza-Klein超引力的转动双荷黑洞解及其热力学

将转动带电的Rasheed-Larsen双荷黑洞解推广到?-变形的Kaluza-Klein超引力理论中,得到了新的?-变形的转动双荷黑洞精确解,并对其热力学性质进行了仔细地分析,发现除了在电磁规范势1-形式、电荷、磁荷、静电势和静磁势中需要同时作一个电磁对偶转动以外,?-变形参数对黑洞度规、质量、角动量、热力学第一定律和Smarr公式没有影响.

应用于引力波探测的深度学习网络结构复杂度研究

深度学习用于引力波探测是近几年的研究热点。匹配滤波法可以看作模板存储于卷积核参数中的单卷积层的神经网络,通过加深模型的深度可以在参数大大减少的同时得到相似的探测效果。对不同的卷积核大小、卷积核的数量(模型的宽度)、卷积层的数量(模型的深度)的深度学习引力波探测模型进行了讨论。另外,对全连接层前采用批量归一优化(batch normalization,BN)模型的探测效果进行了研究,发现单卷积层的模型在加入BN后的探测精度由50%左右提高到了90%以上。研究结果为匹配滤波模板数量的压缩提供了潜在的新方法,匹配滤波后通过BN层和全连接层也许能够大大减少匹配模板数量。

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.

原初典型星系的形成、演化及大尺度天体层次结构和演化的基本规律

本文应用相对论性牛顿万有引力定律和非黎曼几何的传统力学分析方法,对当代天体物理中大尺度天体一系列根本性问题,作了较系统全面的探索研究:(1)导出了原初典型星系的起源、形成和生死循环演化的基本规律.揭示了类星体、活动星系核现象和类星体反常红移未解之迷.证明了星系核中均都存在一超级不稳定黑洞.(2)导出了大尺度层次天体的基本特征和层次攀升演化的一系列基本规律.并对此系列唯象规律,作了相对论力学分析的理论证明.导出了星系分布中存在的"星系长城"、"星系空洞"和"星系分布红移周期性"等可观测天文现象.由此证明了总星系中质元星系非均匀和各向异性的分布规律.(3)导出了由排斥起主导作用形成的第二类引力黑洞:双饱和稳定临界黑洞(总星系M'S4).揭示了星系红移和类星体特大红移之迷.(4)证明了相对论性牛顿万有引力是一种力程λG=R'S4的远程饱和有程力.(5)定量导出了总星系中潜藏的"场暗质星"和发不出光的"非场暗质量",证明了"场暗质量"高度均匀和各向同性的分布规律.(6)导出了宇宙的"双饱和稳定临界黑洞理想气体分子结构模型",导出了质量无限、尺度无边、没有中心、没有始终、永恒运动的无限宇宙.