星系核中超大质量双黑洞与环境相互作用及其观测特征

星系核中的超大质量双黑洞是冷暗物质宇宙学星系形成和演化等级理论预言的结果，其并合时产生的引力波辐射是在建中的引力波探测器LISA和PTA的主要观测源。对其进行观测研究对检验星系形成和演化等级理论、大质量黑洞增长模型、星系与活动星系核活动特性等具有重要意义，对证认引力波辐射源具有关键性意义。目前的观测研究主要针对活动星系核中的双黑洞。然而很多，甚至可能大部分超大质量双黑洞形成于普通正常星系核中。由于这些双黑洞处于宁静状态，对它们的观测研究极端困难。本项目拟通过理论研究超大质量双黑洞对恒星的潮汐撕裂及其产生的短暂电磁辐射特征，为未来LSST、Pan STARRS等暂变源巡天计划研究超大质量双黑洞及其并合提供理论基础。本项目拟特别研究广义相对论效应、双黑洞演化、引力波辐射导致的黑洞高速反冲、星系的宇宙并合树模型等对黑洞潮汐撕裂恒星率、潮汐光变特性等的改变及黑洞参数在吸积潮汐撕裂恒星物质时的演化。

星系并合在星系形成和演化及超大质量黑洞的增长中都起关键作用，而星系的并合必然形成超大质量双黑洞（简称双黑洞）。国际上对双黑洞的搜寻和观测主要针对活动星系核，因为对正常星系核中休眠双黑洞的观测极端困难。在项目支持下，我们采用散射实验、高精度直接N-体数值模拟以及理论分析等方法，研究了通过观测双黑洞与环境相互作用，特别是潮汐撕裂恒星产生暂现爆发来探测正常星系中双黑洞的可行性。结果表明，双黑洞与环境相互作用形成独特的可观测特性：（1）从星系并合开始到黑洞形成自引力束缚系统的动力学粘滞主导阶段，黑洞潮汐撕裂恒星形成非星系核心的暂现爆发，频率最高可达几百年一次；（2）星系核中心在双黑洞与束缚恒星的三体散射、广义相对论效应和双黑洞动力学演化等共同影响下，黑洞潮汐撕裂恒星的典型频率为每几十年一次，并持续数百万年；（3）双黑洞并合并获得引力波反冲后在星系中作动力学振荡时，黑洞周围同时存在一个大质量的非束缚弥散星团以及一个约为黑洞质量千分之几的束缚致密星团，黑洞潮汐撕裂恒星产生平均约一百万年一次的非星系核心暂现爆发；（4）双黑洞并合导致黑洞自旋及喷流方向翻转时，观测到的喷流方向翻转角越大，引力反冲活动星系核宽发射线的多谱勒移动以及偏离核心的视位移也越大；在发生喷流翻转的年轻活动星系核如GPS和CSS射电源中，引力反冲效应的可观测特性比较显著；（5）如果银河系中心确如部分文献建议，除超大质量黑洞外还存在一个中等质量的黑洞，超大质量黑洞对恒星的潮汐撕裂可高达几十年一次，与目前对Sgr A*的观测不符，排除了银河系中心0.1pc内存在质量超过三万倍太阳质量黑洞的可能性；（6）双黑洞和单黑洞对宇宙中恒星潮汐撕裂事件的贡献大致相当，因此目前观测到的黑洞潮汐撕裂恒星事件中，相当比例可能来自双黑洞系统。XMM-Newton和Swift X-射线卫星的观测结果表明，正常星系SDSS J120136.02+300305.5最近发生的潮汐爆发很可能来自一个双黑洞系统。文献调研表明，这是报道有双黑洞系统的第一个正常星系。在项目支持下，接收发表文章8篇，其中国际SCI论文7篇；负责组织和正在筹备国际学术会议各1次，应邀作SOC委员参与组织国际学术会议3次；会议特邀报告7个；研究成果获 “我国2011年度十大天文科技进展”、指导的博士学位论文获“2012年全国优秀博士学位论文（提名论文）”等称号。