天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一對(duì)遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，可能在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生對(duì)撞；這兩個(gè)黑洞座落于一個(gè)距地球25億光年的星系，每個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的8億倍。此項(xiàng)研究由普林斯頓大學(xué)研究學(xué)者安迪·戈?duì)柖☆I(lǐng)導(dǎo)。在7月10日的《天體物理學(xué)》上，戈?duì)柖?、曼加萊利以及普林斯頓大學(xué)和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家闡述了這一發(fā)現(xiàn)。

產(chǎn)生宇宙最強(qiáng)引力波

• 一個(gè)距地球25億光年的星系，存在一對(duì)超大質(zhì)量黑洞。環(huán)繞這對(duì)黑洞的暖氣體和明亮恒星暴露了它們的位置

根據(jù)天文學(xué)家的觀測(cè)，這兩個(gè)黑洞在不斷靠近的過(guò)程中，泛起的引力波漣漪將穿過(guò)周圍的時(shí)空。這些宇宙漣漪將與尚未被探測(cè)到的來(lái)自其它超大質(zhì)量黑洞的引力波背景噪音結(jié)合在一起。即使發(fā)生對(duì)撞前，這對(duì)黑洞產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度也遠(yuǎn)超此前探測(cè)到的小規(guī)摸黑洞和中子星合并產(chǎn)生的引力波。

激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），用于探測(cè)引力波

超大質(zhì)量黑洞對(duì)的發(fā)現(xiàn)者之一、紐約熨斗研究院計(jì)算天體物理學(xué)中心的副研究科學(xué)家奇亞拉·曼加萊利表示：“超大質(zhì)量黑洞對(duì)能夠產(chǎn)生宇宙內(nèi)最猛烈的引力波。它們產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度是激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到的引力波的100萬(wàn)倍。”

估算超大黑洞數(shù)量

這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞之所以引起天文學(xué)家的濃厚興趣，是因?yàn)樗鼈兙嗟厍虼蠹s25億光年。在天文學(xué)領(lǐng)域，觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體就像讓時(shí)間倒流。出現(xiàn)這對(duì)黑洞時(shí)，宇宙的年齡比現(xiàn)在年輕25億歲。巧合的是，天文學(xué)家估計(jì)黑洞大約需要25億年，才開(kāi)始產(chǎn)生猛烈的引力波。

在當(dāng)前的宇宙，黑洞也在產(chǎn)生引力波，但即使以光速的速度傳播，幾十億年內(nèi)也不會(huì)抵達(dá)地球。發(fā)現(xiàn)這對(duì)超大質(zhì)量黑洞有助于科學(xué)家估算地球附近有多少超大質(zhì)量黑洞能產(chǎn)生我們探測(cè)到的引力波。

揭示星系合并頻率

• 藝術(shù)概念圖，一個(gè)被致密氣體-塵埃盤環(huán)繞的星系中央超大質(zhì)量黑洞

探測(cè)到引力波背景有助于科學(xué)家揭開(kāi)天文學(xué)領(lǐng)域的一些最大謎團(tuán)，例如星系合并的頻率，超大質(zhì)量黑洞對(duì)究竟是合并，還是彼此環(huán)繞并陷入一曲幾乎無(wú)止境的華爾茲舞。研究論文合著者、普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)教授詹尼·格里納指出：“我們不知道超大質(zhì)量黑洞是否會(huì)發(fā)生合并，這是天文學(xué)界的一大尷尬。

每一個(gè)致力于黑洞物理學(xué)研究的科學(xué)家都應(yīng)付出自己的努力，揭開(kāi)這個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)存在的謎團(tuán)?！背筚|(zhì)量黑洞堪稱的宇宙中的質(zhì)量怪獸，質(zhì)量可達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍，甚至數(shù)十億倍。包括銀河系在內(nèi)，幾乎所有星系的中央都至少存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。星系合并時(shí)，它們的超大質(zhì)量黑洞相遇，開(kāi)始彼此環(huán)繞。隨著時(shí)間的推移，在黑洞之間穿過(guò)的氣體和恒星不斷盜取能量，導(dǎo)致它們的軌道愈發(fā)緊湊。

• 引力波是時(shí)空結(jié)構(gòu)泛起的漣漪，由兩個(gè)致密天體合并導(dǎo)致，例如黑洞或者中子星。這種漣漪的傳播速度達(dá)到光速

一旦兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞靠得足夠近，能量竊賊通常停止“作案”。一些理論研究表明兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞在相距大約1秒差距（約合3.26光年）時(shí)停止腳步。這種現(xiàn)象幾乎會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去，被稱之為“最后一秒差距問(wèn)題”。在這種假設(shè)中，只有三個(gè)或更多超大質(zhì)量黑洞組成的罕見(jiàn)洞群能夠發(fā)生合并。

不過(guò)，天文學(xué)家很難搜尋到停止腳步的超大質(zhì)量黑洞對(duì)，因?yàn)樵趦蓚€(gè)黑洞進(jìn)入最后一秒差距前很久，它們就因?yàn)榫嚯x太近而無(wú)法分辨。此外，在克服最后一秒差距障礙并進(jìn)一步靠近前，它們不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波。此次發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞對(duì)大約相隔430秒差距。

黑洞吸食伴星的氣體

天文學(xué)家認(rèn)為如果不存在最后一秒差距問(wèn)題，宇宙中將遍布超大質(zhì)量黑洞對(duì)產(chǎn)生的強(qiáng)引力波。戈?duì)柖”硎荆骸斑@種噪音被稱之為引力波背景，有點(diǎn)像在夜晚亂叫的一群蟋蟀。你無(wú)法區(qū)分這些蟋蟀，但噪音的分貝能夠幫助你估算蟋蟀的數(shù)量。”（當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞最終相撞并合二為一，它們會(huì)釋放出雷鳴般的噪音，讓其它任何噪音都無(wú)法望其項(xiàng)背。這種事件短暫并且異常罕見(jiàn)，科學(xué)家并不認(rèn)為能夠在短期內(nèi)觀測(cè)到。）

提供實(shí)際觀測(cè)的估算依據(jù)

超大質(zhì)量黑洞對(duì)產(chǎn)生的引力波頻率并不在LIGO和處女座探測(cè)器等實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)范圍內(nèi)。引力波獵人利用脈沖星陣列充當(dāng)節(jié)拍器。這種快速旋轉(zhuǎn)的恒星以穩(wěn)定的節(jié)奏釋放無(wú)線電波。如果引力波延伸到或者擠壓地球和脈沖星之間的空間，這個(gè)節(jié)奏便會(huì)發(fā)生小幅改變。

• 超大質(zhì)量黑洞藝術(shù)概念圖。這種黑洞被炙熱墜落物質(zhì)形成的吸積盤環(huán)繞，再往外便是一個(gè)多塵環(huán)面。黑洞的兩極還會(huì)噴射高速物質(zhì)流，能夠在太空中延伸極遠(yuǎn)的距離

利用脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)引力波背景需要監(jiān)測(cè)大量恒星，需要很耐心。一顆脈沖星的節(jié)奏在10年內(nèi)可能只發(fā)生幾百納秒的變化。背景噪音的聲音越大，脈沖星計(jì)時(shí)陣的變化幅度越大，讓天文學(xué)家更早發(fā)現(xiàn)引力波背景。戈?duì)柖　⒏窭锛{和研究小組的其他天文學(xué)家借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到這對(duì)超大質(zhì)量黑洞。

超大質(zhì)量黑洞無(wú)法通過(guò)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被直接觀測(cè)到，但它們被自身強(qiáng)大引力拖拽束縛的明亮恒星和暖氣體環(huán)繞。戈?duì)柖”硎拘掳l(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞對(duì)所在的星系是迄今為止在宇宙中發(fā)現(xiàn)的最明亮的星系之一。此外，這個(gè)星系的核心噴射兩道引人注目的氣體羽流。在研究人員將哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)這個(gè)星系并揭示其龐大氣云的源頭后，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系存在兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬圖，黑洞合并釋放引力波

隨后，觀測(cè)人員與研究引力波的物理學(xué)家曼加萊利和普林斯頓研究生克里斯·帕爾多合作，從引力波背景的角度解讀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)錨點(diǎn)，可幫助科學(xué)家估算可觀測(cè)范圍內(nèi)存在多少超大質(zhì)量黑洞對(duì)。此前的評(píng)估依靠星系合并頻率的電腦模型，而不是對(duì)超大質(zhì)量黑洞對(duì)的實(shí)際觀測(cè)。

帕爾多和曼加萊利根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)得出預(yù)測(cè)，地球附近存在大約112個(gè)放射出引力波的超大質(zhì)量黑洞。大約5年后，科學(xué)家可能第一次探測(cè)到超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的引力波背景。如果沒(méi)有上演這一觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，證明最后一秒差距問(wèn)題可能無(wú)法逾越。現(xiàn)在，研究小組正對(duì)可能存在超大質(zhì)量黑洞對(duì)的其它類似星系進(jìn)行觀測(cè)。發(fā)現(xiàn)更多超大質(zhì)量黑洞對(duì)將幫助科學(xué)家進(jìn)一步精確他們的預(yù)測(cè)。

博科園｜文：托馬斯·薩姆納

轉(zhuǎn)自：漫步宇宙/qqtaikong

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普