劉富坤教授等關于“黑洞”被評選為我國2011年度十大天文科技進展
北京大學在職研究生頻道訊：由中國天文學會和中國科學院國家天文臺共同組織、在全國范圍內開展的“2011年度十大天文科技進展”評選活動近日圓滿結束，并于9月13日向公眾公布評選結果。我校物理學院天文系劉富坤教授領導的研究團隊提交的科研成果“我國學者關于超大質量雙黑洞與吸積盤相互作用的理論預言得到射電觀測證實”入選。本次評選活動征集參選項目共計15項，其中參選“天文基礎和應用基礎研究類”的項目8項，參選“技術及設備發展和工程進展類”的項目7項。經有關天文單位的165位由教授和院士組成的專家投票評選，兩類項目中各有5項入選。劉富坤教授等的成果是本次十大天文科技進展中唯一以高校牽頭的入選項目。
近十余年的天文觀測表明，幾乎所有具有核球結構的近鄰星系中心都存在比太陽重百萬倍以上的“超大質量黑洞”。天文學家普遍認為，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，很可能是由超大質量黑洞從星系核環境吸積氣體形成環繞黑洞的“吸積盤”以及沿黑洞自轉軸方向拋射等離子體而形成的。目前流行的冷暗物質宇宙學認為，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“超大質量雙黑洞”。雙黑洞并合時所產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“脈沖星計時陣引力波探測項目”的主要探測目標。對這些雙黑洞的探測將檢驗冷暗物質宇宙學星系等級形成理論、研究超大質量黑洞的形成和增長、而探測其并合時產生的引力波輻射除檢驗現代宇宙學模型和愛因斯坦廣義相對論外，還將開啟引力波天文學和引力波宇宙學。然而如何利用現有的天文設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研究，仍是目前雙黑洞以及引力波研究領域的關鍵難題。
物理學院天文系的劉富坤教授及其領導的研究團隊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會月刊(Monthly Notice of the Royal Astronomical Society)340期第2卷、347期第4卷上發表論文提出“雙黑洞與吸積盤相互作用和并合理論”，并預言：(1)在星系合并晚期，形成的超大質量雙黑洞將與吸積盤發生相互作用;(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方向，從而導致大尺度噴流由一個方向改道另外一個方向;(3)演化到引力波輻射并合并的雙黑洞會清除吸積盤的內區物質，造成類星體活動中止，噴流出現中斷之后再形成[參見圖1a]。
劉富坤教授等發表的兩篇相關研究論文在國際上已產生重要影響，至今已被引用90余次。其理論模型的預言最近被波蘭天文學家Kozie?-Wierzbowska等利用美國甚大射電望遠鏡陣列(VLA)和印度巨型米波射電望遠鏡(GMRT)等對射電星系CGCG 292-057的觀測所證實[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，其射電噴流曾顯著改變形成方向，然后發生中斷;(3)大約一百萬年前新的噴流重新開始噴發。這一新發現的合并星系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言。Kozie?-Wierzbowska等人在其2012年5月發表在英國皇家天文學會月刊422期第2卷上的文章結論中特別指出：CGCG 292-057的發現驗證了劉富坤等人提出的雙黑洞與吸積盤相互作用理論，對該星系的進一步研究將有助于人們理解雙黑洞對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清空吸積盤的內區，造成氣體吸積流的中止，從而導致噴流中斷。[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發生過顯著改變(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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