如何解开黑洞合并之谜

如何解开黑洞合并之谜 时间: 2020年04月02日 | 作者: Nola Taylor Redd | 来源: 环球科学（huanqiukexue.com） 科学家在一个遥远的活跃星系核发现了一道耀斑，他们怀疑这是一个超大质量黑洞，放大了附近的另一个超大质量黑洞释放的光。这意味着这对黑洞可能在未来的十万年内合并。

两个黑洞即将合并的想象图，它们各自被一个发光圆盘（由尘埃碎片和气体组成）所环绕。图片来源：NASA

撰文：Nola Taylor Redd

翻译：莫泽鑫

审校：郭晓

超大质量黑洞的质量是太阳系的数百万乃至十亿倍，它们具有宇宙中终极重量，隐藏在每一个大星系的中心。虽然它们不发光，但是由于它们会吞噬气体和尘埃，可以产生壮观的“天体烟花”，发出高能粒子喷流并产生旋转的碎片盘。由这些高能粒子喷流和碎片盘形成的活跃星系核（AGN），在整个宇宙中都清晰可见。

现在，科学家在一个遥远的活跃星系核发现了一道耀斑，他们怀疑这是一个超大质量黑洞，放大了附近的另一个超大质量黑洞释放的光。这意味着这对黑洞可能在未来的十万年内合并。如果这两个黑洞真的会合并，天文学家将史无前例地观察到黑洞是如何相互靠近合并。但是，到目前为止，科学家仍然不了解这一过程。

2017年，天体物理学家Daniel D'Orazio和Rosanne Di Stefano详细描述了一对即将合并的超大质量黑洞会如何互相产生引力透镜效应，以及如果即将发生合并的轨道平面和地球平行的话，我们将能怎样观察到这一过程产生的信号。环绕黑洞的物质在向其中任何一个黑洞加速时，应该会辐射x射线。当其中一个黑洞在另一个黑洞前面经过时，处于前方的黑洞能扭曲时空的引力场，将能像一块透镜一样放大背后的光源。“这是一个非常独特的现象，” Di Stefano说道，她是哈佛大学和史密森尼研究院天体物理中心的一名研究员。

去年10月，她和D'Orazio等报告发现了一个天体发出的信号，与她们理论预测的一致。2011年，NASA的开普勒太空望远镜搜集的数据揭示了一个名为“Spikey”的活跃星系核，含有一个奇怪波峰。如果这个天体，在今年春天再次发出“耀斑”的话，他们将有确凿证据证明“Spikey”是一对即将合并的超大质量黑洞。

最后一秒的差距

当星系碰撞时，它们中心超大质量的黑洞最后将会进入新创造的星系中心，并最终聚集到一起。对合并星系核心的观测表明，那里可能只有一个超大质量黑洞（很可能由两个或多个黑洞合并而来），或是几个黑洞在几秒差距内相互环绕（一秒差距大概是3.26光年）。

“我们非常确定当两个星系合并时，在它们各自中心的黑洞将靠近到一秒的差距以内，”麻省理工学院的天体物理学家Scott Hughes说道，他没有参与这项研究。问题在于在最后一秒的距离内，重力将不足以克服每个黑洞轨道所产生的离心力，以使它们进一步靠近。

如果没有稳定、大量的物质流入，这两个黑洞可能就不会继续合并，转而维持相对运动的状态直至宇宙最后一刻。更小的恒星质量黑洞则不会受“最后一秒差距”的影响，它们可以通过释放大量引力波来释放多余的轨道能量，从而更容易地合并。而更大的黑洞则需要满足一些条件才能克服这一最后的难题，然后它们才能通过释放引力波，达到最终合并。

“我们并不太了解在最后那一秒阶段中发生了什么，”加州理工学院的宇宙学家Matthew Graham说道，“我们有理论解释，但是我们没有很好的观测证据来支持这一理论。”

除了发现了数以千计的地外星系以外，开普勒太空望远镜还发现了几十个活跃星系核。2018年对这些物体的一项研究发现，一个名为KIC 11606854的物体有反常的“发光”活动。进一步的观测表明，这一时亮时暗的光与一对合并中的黑洞对彼此可能产生引力透镜效应的预测一致。

哈佛大学的研究生Betty Hu说道，“一切都十分幸运。”他是汇报发现“Spikey”的预印论文的第一作者。当D’Orazio和他的同事了解到这一信息，随即发现这信号与引力透镜模型匹配的非常好。Di Stefano预测合并中的黑洞可能各自被一个“迷你盘”所环绕，而“迷你盘”嵌在一个更大的、同时环绕两个黑洞的共享盘里。随着黑洞的进食，迷你盘可能会逐渐消失，偶尔会受到来自外面共享盘的物质补充。“迷你盘”可能有利于释放额外的轨道能量，让两个黑洞螺旋地相互靠近，进而可能克服最后一秒差距问题。根据研究模型，“Spikey”将在大约10万年后合并（在天文学的时间尺度上，这只是一眨眼的时间）。

直到下一次耀斑

但是，仅仅一个耀斑并不足以证实“Spikey”是一对合并中的黑洞。D’Orazio和同事已经着手计划在今年春天研究“Spikey”，以寻找更多的证据。基于对这对黑洞轨道最准确的估计，他们初步预计下一次引力透镜事件最有可能发生在2020年的4月份。但是，Hu表示，这一预测仍存在的不确定性，耀斑可能在2月至7月的任何时间点发生。

该团队已经预订了NASA钱德拉X射线天文台，以观测预计在4月份出现的耀斑，观测时长应该会持续10天左右。与此同时，研究者也将继续使用地面的设备监测该系统。他们希望能够窥视到，“Spikey”在4月以前可能开始发出“亮光”的迹象，从而转用钱德拉和其它设备进行观察。Di Stefano说道，“我认为，D’Orazio做得很好。他找到了所有可行的方法对这个系统进行跟进，因为它是合并黑洞的最佳候选者。”

如果“Spikey”和预测一样在今年春季再次发出耀斑，这将意义重大。Hughes说道，“如果它能稳定地发出耀斑并确实是双黑洞系统的话，我认为它将成为一个很好的例子，能说明相互接近但仍未合并的双黑洞系统，应该具有怎样的特征。”这将会让未来寻找合并中的超大质量黑洞变得更加容易。

如果没有耀斑

但“Spikey”也有可能不再“发光”，也许它根本就不是一对超大质量黑洞。Graham表示，过去几年，越来越多的研究声称发现可能正在合并中的超大质量黑洞，结果最后发现却是其他的东西。

如果在今年7月份之后，仍然没有任何再次出现独特耀斑的迹象，那有可能表明，之前的现象只是一个相对普通的活跃星系核发出的一种之前从未见过的耀斑。虽然，还有一些其他的接近合并的超大质量黑洞有待证实，但是没有监测到耀斑，将让合并黑洞的搜索几乎回到原点。

但是，没有再次观测到耀斑并不必然意味着Di Stefano和D'Orazio的模型是错误的。“这是一个在宇宙中某个地方必然会发生的过程，”Di Stefano说道。只要两个黑洞相互环绕，就应该会产生引力透镜效应。只要是这对黑洞在一个适当的方位，那么这个效应就可以在地球上观测到。她和D’Orazio在论文中预测，大概有10%的双黑洞系统会在一个合适的角度上，能让天文学家一窥它们通过引力透镜效应产生的耀斑。

“就算‘Spikey’没有再发出“亮光”，我们也知道类似的现象会再次发生，”Di Stefano说道，“最终，我们应该能侦测到，但可能要通过观测其它的双黑洞系统来找到它。”

原文链接：https://www.scientificamerican.com/article/meet-spikey-a-possible-pair-of-merging-supermassive-black-holes/