JHU学子|约翰霍普金斯大学华裔博士打开科研新领域

2021-04-30 05:52:33 110
约翰霍普金斯大学华裔物理和天文学研究博士黄象致完善了识别类星体对的技术,为发现合并星系打开了“闸门”,并揭示了星系形成和引力波的更多信息。下文来自约翰霍普金斯大学新闻中心的相关报道。

天体物理学家知道,几乎每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞。他们知道当星系合并时,最终它们的黑洞也会合并。但他们还不太清楚合并过程是如何发生的,也不清楚超大质量黑洞在合并过程中到底发生了什么。


这是因为可供研究的例子并不多。科学家们通过寻找类星体来寻找超大质量的黑洞。类星体是超大质量黑洞以少量物质为食时形成的明亮天体,这些物质在落入黑洞时释放出丰富的辐射。


大多数星系合并都发生在100亿年前,当我们遥望遥远的过去时,类星体在宇宙中广泛分布。据估计,每1000个类星体中只有一个双星。目前已知的大多数类星体对仍然相距遥远,还没有接近最终的合并阶段。即使是使用最高功率的望远镜随机扫描天空,也可能要花费数千年的时间才能发现更多正在进行中的合并。


但是约翰·霍普金斯大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个研究小组设计了一种方法来消除搜索中的随机性,并且迄今为止已经发现了两个类星体对,它们在大约100亿年前是活跃的。他们的研究成果发表在本月早些时候的《自然天文学》杂志上,这将有助于科学家更多地了解星系的形成和引力波。


“我认为这将打开发现双类星体的闸门,”团队成员、约翰霍普金斯大学克里格艺术与科学学院物理与天文学副教授纳迪亚·扎卡姆斯卡(Nadia Zakamska)说。


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让这个团队的工作具有革命性的是他们用来缩小可能的双类星体列表的方法。当两个类星体距离足够近,表明正在进行合并时,地球上的望远镜将它们视为单一光源,掩盖了它们的双星性质。但是类星体的亮度是随机变化的——它是随机变亮或变暗的——这导致了天空中看似单一的光源的位置变化,或“运动”。


几年前,扎卡姆斯卡和他在伊利诺伊大学的同事沈岳(音)获得了一笔资金来探索这种现象可能提供的线索。他们问,如果我们把目标对准那些亮度似乎略微从一边跳到另一边的类星体,会怎么样?他们推断,至少在某些情况下,这种意想不到的微小运动实际上应该是由两个离得很近的类星体的存在造成的,每个类星体都按自己的时间表变亮或变暗。


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JHU副教授扎卡姆斯卡


物理学和天文学博士候选人黄象致(音)在大三的时候,一直在研究双星,但后来加入了双星类星体探索项目。


为了验证扎卡姆斯卡沈岳的想法,他开发了一种天体测量技术,通过筛选欧洲航天局高度敏感的盖亚空间天文台创建的类星体目录,来识别哪些类星体显示了位置的变化。他发现了150个可能存在双类星体的例子。


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JHU博士研究生Hsiang-Chih Hwang


黄象致的领导下,该团队决定请求使用哈勃太空望远镜,其清晰的图像质量应该能够确认或反驳他们的候选对象。


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这是一项高风险、高回报的冒险。只有大约15%的要求哈勃的时间被接受,而且提出的方法是全新的,未经测试。但哈勃的同行评审小组批准了这项提议,去年,这架轨道望远镜开始扫描目标,图像开始逐渐进入。


“我很兴奋。对我来说,这就像中了彩票一样。现在我们看到的结果确实非常漂亮,”黄象致说,他每周都在检查哈勃的数据,以获得新的结果。


研究小组在早期宇宙的前四个目标中,有两个被发现是二进制的——50%的成功率,比早期方法的10%的成功率大大提高。


哈勃已经证明了这种方法是非常有效和成功的。在未来,它将使我们能够发现整个天空的双类星体,这是非常有前途的,黄象致说。


类星体在星系形成中扮演着关键的角色,所以来自如此多的双星类星体的额外信息将帮助科学家更详细地了解星系形成,扎卡姆斯卡黄象致说。类星体发射出高强度的辐射,产生强大的银河风,将来自合并星系的气体吹走。没有气体,恒星就不会形成,星系就呈椭圆形。


研究人员说,这些信息对快速发展的引力波领域也至关重要。来自双星超大质量黑洞的引力波频率太低,目前运行的激光干涉仪引力波天文台无法探测到。只有少数几个有希望的方法来检测相关频率的波,因此不可能知道存在多少波信号。大量的双类星体将帮助天体物理学家更多地了解星系合并需要多长时间,以及何时何地可以预期引力波。由于合并的过程需要数百万年的时间,在这一过程中的不同时刻能进行观察将使科学家拼凑出一个进程的时间轴。


当哈勃继续为这个团队的150双类星体提供有希望的数据时,成员们也在展望将于今年秋天开始运行的詹姆斯·韦伯太空望远镜。詹姆斯·韦伯(James Webb)已经计划观察该团队发现的一些类星体对,应该能够确认它们实际上是在合并类星体。


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到那时,黄象致将在今年夏天为他的论文进行答辩,他已经拥有了作为高影响力哈勃项目首席研究员的经验,他将被派往普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study at Princeton)担任博士后。他计划继续关注双星——类星体和恒星。


扎卡姆斯卡说:“象致的贡献对这个项目来说是完全必要的,因为他在两个关键点上推动了这个项目的发展:克服巨大的技术障碍,根据天体运动识别到好的类星体,然后想到要申请使用哈勃望远镜。”


在黄象致的个人官网,他如此自我介绍,“我是一名五年级的博士生,也是约翰霍普金斯大学的加德纳研究员。我的研究兴趣包括双星的形成和演化、白矮星、银河系动力学、活动星系核、双星类星体以及天空中的变异性。在我2016年来到JHU之前,我在国立台湾大学获得了物理与电子工程学士学位。我喜欢咖啡和奶茶。在我的业余时间,我喜欢徒步旅行,旅游,打羽毛球。


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ref: 

http://www.hwang-astro.me/  

https://hub.jhu.edu/2021/04/28/new-technique-finds-double-quasars-as-galaxies-merge/

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