超大質(zhì)量雙黑洞并合模擬圖 NASA

超大質(zhì)量雙黑洞在演化最后階段的并合，究竟會(huì)是一種怎樣的結(jié)果，目前還存在爭(zhēng)議。有的理論認(rèn)為，兩個(gè)黑洞會(huì)像兩個(gè)人面對(duì)面貼近跳舞一樣，雖然距離很近，但始終無法合二為一；有的理論則認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)黑洞越靠越近，隨著引力波輻射散失掉大量能量，最終會(huì)無限貼近直至并合。

安濤 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞逐漸靠近，并最終并合后，會(huì)發(fā)生什么？這個(gè)此前無人能夠確切回答的問題，或許將在未來3年內(nèi)得到答案。

不久前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔣凝博士領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑似將在未來3年內(nèi)完成并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。如果這一發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，它將極有可能成為人類完整觀測(cè)到的第一例超大質(zhì)量雙黑洞并合事件，為檢驗(yàn)黑洞演化和引力波理論提供最佳研究對(duì)象。

近日，在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，一個(gè)由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員安濤牽頭的研究團(tuán)隊(duì)利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)這個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)進(jìn)行了首次高分辨率成像觀測(cè)，研究了其并合前的射電結(jié)構(gòu)和輻射狀態(tài)，對(duì)今后對(duì)比研究雙黑洞并合前后的輻射和動(dòng)力學(xué)特征提供了重要參考。

“看不見”的超大質(zhì)量雙黑洞并合

當(dāng)一顆質(zhì)量是太陽(yáng)幾倍甚至幾十倍的恒星走到生命盡頭時(shí)，往往會(huì)以黑洞的形式終結(jié)一生。而雙黑洞，顧名思義，便是由兩個(gè)因引力作用相互吸引、繞轉(zhuǎn)的黑洞組成的系統(tǒng)。隨著時(shí)間的推移，這兩個(gè)黑洞會(huì)像陀螺一樣，不斷旋轉(zhuǎn)著向彼此靠近，最終發(fā)生雙黑洞并合事件，并釋放出引力波。

按照質(zhì)量劃分，黑洞可以大致分為3類，即恒星級(jí)質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。就算是最小的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量也是太陽(yáng)的數(shù)倍乃至數(shù)十倍。而超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量則會(huì)在太陽(yáng)的百萬(wàn)倍到百億倍之間。根據(jù)現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家認(rèn)為，大質(zhì)量星系中心普遍存在著超大質(zhì)量黑洞。比如不久前剛剛公布首張照片的銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞Sgr A＊，其質(zhì)量便達(dá)到了太陽(yáng)的400萬(wàn)倍。安濤表示：“銀河系在茫茫宇宙中并不算大，有的星系質(zhì)量比銀河系大幾千倍甚至上萬(wàn)倍，因此這些星系中心的黑洞質(zhì)量也會(huì)更大?！?/p>

超大質(zhì)量黑洞是否也會(huì)發(fā)生雙黑洞并合？答案是肯定的。在等級(jí)成團(tuán)星系宇宙學(xué)演化框架下，兩個(gè)星系之間的并合必然會(huì)產(chǎn)生超大質(zhì)量雙黑洞。安濤向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，超大質(zhì)量雙黑洞在演化最后階段的并合，究竟會(huì)是一種怎樣的結(jié)果，目前還存在爭(zhēng)議。有的理論認(rèn)為，兩個(gè)黑洞會(huì)像兩個(gè)人面對(duì)面貼近跳舞一樣，雖然距離很近，但始終無法合二為一，此時(shí)二者之間的最小間距將達(dá)到約1秒差距（1秒差距約等于3.26光年）；還有的理論則認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)黑洞越靠越近，隨著引力波輻射散失掉大量能量，最終會(huì)無限貼近直至并合，此時(shí)二者之間的間距約為毫秒差距，即0.001倍光年。但無論如何，雙黑洞并合時(shí)二者間“親密無間”的距離，都讓直接觀測(cè)超大質(zhì)量雙黑洞并合成為難題?！爱?dāng)兩個(gè)黑洞之間距離過近時(shí)，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了望遠(yuǎn)鏡的分辨率極限，無法直接觀測(cè)成像，甚至分不清楚是一個(gè)黑洞還是兩個(gè)黑洞。”安濤向記者解釋道。

另辟蹊徑克服直接成像困難

雖然沒有辦法用望遠(yuǎn)鏡對(duì)超大質(zhì)量雙黑洞并合直接進(jìn)行成像觀測(cè)，但這不代表科學(xué)家沒有其他手段探查其奧秘。

通常人們看到的黑洞圖像，黑洞周圍往往存在著一圈發(fā)光物質(zhì)，那是被黑洞吸引而來的氣體、碎片等，天文學(xué)中稱之為吸積盤。在穩(wěn)定狀態(tài)下的黑洞，其吸積盤通常也呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。但是一旦當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞逐漸開始旋轉(zhuǎn)、靠近，并形成雙黑洞系統(tǒng)時(shí)，其相互繞轉(zhuǎn)會(huì)造成吸積盤及其周圍氣體云團(tuán)的亮度發(fā)生變化。而這一變化便可被光學(xué)和X射線望遠(yuǎn)鏡敏銳地察覺到。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來飛速發(fā)展的時(shí)域天文學(xué)，天文學(xué)家便能夠以時(shí)間為序列，對(duì)亮度變化的時(shí)間特征進(jìn)行分析，得到所謂的光變曲線，從而對(duì)雙黑洞的某些物理性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

一個(gè)引力束縛的雙黑洞系統(tǒng)，由于軌道繞轉(zhuǎn)，其光變曲線會(huì)呈現(xiàn)周期性特征。這樣的超大質(zhì)量雙黑洞候選體，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多，但它們沒有一個(gè)表現(xiàn)出臨近并合的特征。但天文學(xué)家并沒有因此放棄，在不久前，蔣凝領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在近鄰宇宙中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的活動(dòng)星系核，它的光變曲線呈現(xiàn)出周期衰減的震蕩，在過去3年里，這一周期從一年逐漸減小到3個(gè)月。不僅如此，其光變的振幅也在逐漸減小，再結(jié)合其他觀測(cè)特征和模型擬合預(yù)測(cè)的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這極有可能是一個(gè)將在3年內(nèi)完成并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。人類終于有可能第一次“目睹”到超大質(zhì)量雙黑洞并合過程。

為了證實(shí)這個(gè)史無前例的猜想，蔣凝領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)以及國(guó)際上的多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開展后續(xù)的多波段觀測(cè)，其中射電波段跟蹤觀測(cè)是重要的一部分。由于該候選體的射電輻射極其微弱，只有借助擁有極高分辨率和靈敏度的射電望遠(yuǎn)鏡陣列才能對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)。

于是，在獲知這一發(fā)現(xiàn)后，安濤及其團(tuán)隊(duì)立即使用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)該候選體進(jìn)行了觀測(cè)研究。簡(jiǎn)單來講，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)是將幾臺(tái)獨(dú)立的射電望遠(yuǎn)鏡，通過組合形成一個(gè)大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列。而這臺(tái)組合而成的“巨大望遠(yuǎn)鏡”，其分辨率會(huì)隨著望遠(yuǎn)鏡之間距離增大而逐漸提高，即望遠(yuǎn)鏡之間相距越遠(yuǎn)，分辨率越高。據(jù)安濤介紹，一般而言，望遠(yuǎn)鏡之間的距離過遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致彼此間的信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，給后期的信號(hào)合成造成困難。但甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)能夠?qū)⒚總€(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立記錄，并匯總到一個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析，后期再利用特殊手段將各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)對(duì)齊合成，使得望遠(yuǎn)鏡即使分布于全球各大洲，也不必?fù)?dān)心受到信號(hào)傳輸距離的影響。

對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的研究才剛剛開始

蔣凝及安濤團(tuán)隊(duì)的一系列研究只是一個(gè)起點(diǎn)。超大質(zhì)量雙黑洞并合會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？沒有人敢下定論。釋放引力波當(dāng)然是最有可能的結(jié)果之一。但是不同于質(zhì)量較低的雙黑洞并合所引發(fā)的引力波，超大質(zhì)量雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波頻率不在地面引力波探測(cè)器——激光干涉引力波天文臺(tái)的探測(cè)范圍內(nèi)。不過，科學(xué)家也并非毫無辦法，對(duì)于百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞并合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，我國(guó)的“天琴”“太極”和歐洲LISA項(xiàng)目等未來空間低頻引力波探測(cè)器都可以對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。但對(duì)于幾億到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，其頻率更低，往往在納赫茲到微赫茲之間，只能通過脈沖星計(jì)時(shí)陣列進(jìn)行探測(cè)。

在安濤看來，他們的研究才剛剛開始，“我們的第一輪觀測(cè)主要是為以后的研究提供最初的基準(zhǔn)和參照?！痹诮酉聛淼膸啄陜?nèi)，研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)對(duì)這個(gè)雙黑洞系統(tǒng)進(jìn)行射電譜和甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)成像觀測(cè)，為跟蹤超大質(zhì)量雙黑洞并合前最后時(shí)刻的活動(dòng)性提供關(guān)鍵的觀測(cè)信息，以及與并合后的射電觀測(cè)相比較，以期能夠完整了解超大質(zhì)量雙黑洞并合全過程。而蔣凝與安濤也都在得出相關(guān)結(jié)果后，不約而同地在第一時(shí)間將結(jié)果與國(guó)際天文界的同行們進(jìn)行了分享，希望國(guó)際天文學(xué)家共同加入，來進(jìn)一步研究和檢驗(yàn)這個(gè)非同尋常的發(fā)現(xiàn)。安濤說：“這個(gè)候選體的發(fā)現(xiàn)和研究，對(duì)于進(jìn)一步理解黑洞和星系演化非常重要，我們把結(jié)果分享出去，大家一起去努力探索，無論誰(shuí)有了后續(xù)結(jié)果，都是人類探索宇宙未知的進(jìn)步?！?/p>

都 芃