哈勃太空望远镜意外发现遥远宇宙中的双类星体
早期的宇宙是一个喧闹的地方，星系经常相互碰撞，甚至合并在一起。利用NASA的哈勃太空望远镜和其他太空和地面天文台，研究这些发展的天文学家们有了一个意想不到的罕见发现：一对引力束缚的类星体，都在两个合并的星系内燃烧。它们在宇宙只有30亿年的时候就存在了。
类星体是明亮的物体，由贪婪的超大质量黑洞提供能量，当它们吞噬气体、尘埃和其他任何在它们引力范围内的东西时，黑洞会喷发出巨大的能量喷泉。
“在宇宙的早期，我们并没有看到很多双类星体。这就是为什么这一发现如此令人兴奋。”伊利诺伊大学香槟分校的研究生陈玉清（Yu-Ching Chen）说，他是这项研究的第一作者。
这幅艺术家的概念图展示了位于两个星系核心的两个类星体的耀眼光芒，这两个星系正处于混乱的合并过程中。两个星系之间的引力拉锯战点燃了恒星诞生的风暴。类星体是来自遥远星系中心的强光的明亮灯塔。它们由超大质量黑洞提供动力，这些黑洞贪婪地吞食着坠落的物质。这种疯狂的进食释放出大量的辐射，其光芒超过了宿主星系中数十亿颗恒星的总和。几千万年后，黑洞和它们的星系会合并，类星体对也会合并，形成一个更大质量的黑洞。
影像来源：NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)
寻找近双星类星体是一个相对较新的研究领域，在过去的10到15年中刚刚发展起来。如今，强大的新天文台让天文学家能够识别出两个类星体在同一时间活动的例子，它们距离足够近，最终会合并在一起。
越来越多的证据表明，大型星系是通过合并形成。较小的系统聚集在一起，形成更大的系统和更大的结构。在这个过程中，在合并的星系中应该会形成成对的超大质量黑洞。陈说：“了解黑洞的祖先种群，最终将告诉我们早期宇宙中超大质量黑洞的出现，以及它们合并的频率。”
“我们开始揭开早期双类星体种群的冰山一角。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的刘欣（Xin Liu）说。“这就是这项研究的独特之处。它实际上告诉我们，这个群体是存在的，现在我们有一种方法来识别距离小于一个星系大小的双类星体。”
哈勃太空望远镜拍摄的一对类星体的照片，这对类星体存在于宇宙只有30亿年的时候。它们嵌在一对相互碰撞的星系中。类星体之间的距离小于一个星系的大小。类星体由贪婪的超大质量黑洞提供动力，当它们吞噬气体、尘埃和其他任何在它们引力范围内的东西时，黑洞会喷发出巨大的能量喷泉。黑洞最终会合并。
影像来源：NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC)
这是一次大海捞针的搜索，需要NASA的哈勃太空望远镜和夏威夷的W.M.凯克天文台的联合力量。夏威夷国际双子座天文台、美国国家科学基金会新墨西哥州卡尔·G·扬斯基甚大阵列和NASA钱德拉X射线天文台的多波长观测也有助于了解这一动态组合。并且，欧洲航天局（ESA）的盖亚太空天文台首先帮助确定了这颗双类星体。
“哈勃的灵敏度和分辨率提供了图片，使我们能够排除我们看到的其他可能性。”陈说。哈勃毫不含糊地表明，这确实是一对真正的超大质量黑洞，而不是由前景引力透镜创建的同一类星体的两个图像。哈勃显示了两个星系合并的潮汐特征，重力扭曲了星系的形状，形成了两条恒星的尾巴。
“哈勃望远镜的灵敏度和分辨率提供的图片使我们能够排除我们所看到的其他可能性，”陈说。哈勃毫不含糊地表明，这确实是一对真正的超大质量黑洞，而不是前景引力透镜所产生的同一类星体的两个图像。哈勃还展示了两个星系合并时的潮汐特征，引力扭曲了星系的形状，形成了两条恒星的尾巴。
然而，仅凭哈勃的高分辨率还不足以去寻找这些双光信标。研究人员利用2013年发射的盖亚望远镜来精确定位潜在的双类星体。盖亚可以非常精确地测量附近天体的位置、距离和运动。但是在一种新颖的技术中，它可以用来探索遥远的宇宙。盖亚庞大的数据库可以用来搜索模拟附近恒星表观运动的类星体。类星体在盖亚数据中显示为单个物体，因为它们靠得很近。然而，盖亚可以捕捉到一种微妙的、意想不到的“抖动”，这种抖动模仿了它观察到的一些类星体位置的明显变化。
事实上，类星体并没有以任何可测量的方式在太空中移动。相反，它们的抖动可能是光随机波动的证据，因为类星体对的每个成员的亮度在几天到几个月的时间尺度上变化，这取决于它们的黑洞的进食时间表。类星体对之间的这种交替亮度类似于从远处看到铁路道口信号。当固定信号两侧的灯交替闪烁时，该标志会产生“抖动”的错觉。
事实上，类星体并没有以任何可测量的方式在空间中移动。相反，它们的抖动可能是光线随机波动的证据，因为类星体对的每个成员的亮度在几天到几个月的时间尺度上变化，这取决于它们的黑洞的进食时间表。类星体对之间的亮度交替，似于从远处看到铁路道口信号。当固定信号两侧的灯交替闪烁时，这个标志给人一种“抖动”的错觉。
另一个挑战是，由于引力会像哈哈镜一样扭曲空间，前景星系可能会将遥远类星体的图像一分为二，造成它实际上是一对双星对的错觉。凯克望远镜被用来确保在我们和可疑的双类星体之间没有透镜星系。
由于哈勃望远镜观测的是遥远的过去，这个双类星体现在已不存在。在其间的100亿年里，它们的宿主星系很可能已经形成了一个巨大的椭圆星系，就像今天在本地宇宙中看到的那样。类星体已经合并成为一个巨大的、超大质量的黑洞。附近的巨型椭圆星系M87有一个巨大的黑洞，质量是我们太阳的65亿倍。也许这个黑洞是在过去几十亿年中由一次或多次星系合并形成。
NASA即将推出的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜与哈勃望远镜具有相同的视觉敏锐度，是寻找双类星体的理想之选。哈勃已经被用来费力地为单个目标获取数据。但是罗曼的超广角红外线宇宙视图比哈勃的大200倍。刘说：“很多类星体可能是双星系统。罗曼望远镜可以在这一研究领域做出巨大改进。”
研究结果将发表在4月5日的《自然》杂志上。
哈勃太空望远镜是NASA和ESA的一个国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜和韦伯望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。
参考来源：
