看過(guò)《星際穿越》（Interstellar）的朋友一定對(duì)電影里的超大質(zhì)量黑洞（supermassive black hole）印象深刻。現(xiàn)在，想象一下，如果電影里的超大黑洞不只有一個(gè)，而是兩個(gè)，又是怎樣一幅場(chǎng)景？我們的團(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)的，正是這樣一對(duì)超大質(zhì)量雙黑洞，距離地球足有100多億光年。我們是怎么發(fā)現(xiàn)它的？這個(gè)故事，要從超大質(zhì)量黑洞本身開(kāi)始講起。
對(duì)天文學(xué)家和天體物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些質(zhì)量大多為太陽(yáng)的上百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍的龐然大物，仍充滿了未解之謎。但它們一點(diǎn)都不罕見(jiàn)。我們目前觀測(cè)到的所有大型星系的中央，都有這樣的一個(gè)黑洞１。比如，銀河系中央就有一個(gè)名為人馬座A*（Sag A*）的黑洞。天文學(xué)家認(rèn)為，這些黑洞與所在星系的形成和演化密切相關(guān)。
但大多數(shù)黑洞都并不“活躍”（Sag A*目前就不活躍）——它們處于一種相對(duì)安靜的狀態(tài)，默默地吸收（accrete）周圍的氣體物質(zhì)，從而放出一些不那么耀眼的光芒。但是，如果一個(gè)黑洞處于它的“事業(yè)巔峰”，正以極快的速度和極高的效率吞噬物質(zhì)，我們就稱這個(gè)黑洞是“活動(dòng)”的（active），構(gòu)成了一個(gè)活動(dòng)星系核（active galactic nucleus，縮寫(xiě)為AGN）。有些活動(dòng)星系核放出的光２非常明亮，甚至在100多億光年外的地球上也可以被觀測(cè)到。
當(dāng)然，當(dāng)一個(gè)物體距離很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的時(shí)候，你便看不清它的具體形狀，只能看見(jiàn)一個(gè)亮點(diǎn)了。這就是類星體（quasar）３這個(gè)名字的來(lái)源——它是一類離我們很遠(yuǎn)、核心又足夠明亮（遠(yuǎn)遠(yuǎn)亮于它所在星系）的活動(dòng)星系核，由于在望遠(yuǎn)鏡的照相機(jī)看來(lái)，它和普通的星星沒(méi)什么區(qū)別，最初被稱為quasi-stellar object，也就是“類似恒星的天體”。
盡管看上去沒(méi)什么區(qū)別，類星體和普通的星星４可完全不同，強(qiáng)大的黑洞是它的核心引擎。一顆恒星在它幾百萬(wàn)年、幾億年，甚至更長(zhǎng)的壽命中都幾乎沒(méi)什么變化，類星體卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化，不管你盯著它看幾分鐘，還是幾十年。對(duì)于這種變化的原因，天體物理學(xué)家有各種理論，主要認(rèn)為這和吸積盤(pán)的不穩(wěn)定有關(guān)。周圍的氣體物質(zhì)圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)形成吸積盤(pán)，黑洞通過(guò)它吸收物質(zhì)并輻射電磁波，因此吸積盤(pán)的不穩(wěn)定使我們觀測(cè)到了類星體在可見(jiàn)光波段產(chǎn)生的光變（variability）。如果把它的光強(qiáng)記錄下來(lái)畫(huà)在Y軸，觀測(cè)的時(shí)刻畫(huà)在X軸，這條光變曲線（light curve）看起來(lái)就會(huì)像股市K線圖一樣毫無(wú)規(guī)律５和節(jié)奏感。
但是，類星體有可能存在一種特別的、有規(guī)律的光變：當(dāng)它中心的黑洞不是一個(gè)，而是一對(duì)時(shí)，受到兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)軌道運(yùn)動(dòng)的影響，這對(duì)雙黑洞吸收物質(zhì)的速率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化——反映在光變曲線里，便會(huì)呈現(xiàn)出周期性的光變。
為什么我們認(rèn)為會(huì)有雙黑洞存在？這要從宇宙學(xué)和星系的演化說(shuō)起：根據(jù)當(dāng)今的宇宙學(xué)模型，小尺度的結(jié)構(gòu)率先形成，于是宇宙早期先有了小型的星系；它們通過(guò)吸收星系之間的物質(zhì)，以及與其他星系并合，漸漸成長(zhǎng)為大型的星系——就好比一個(gè)小公司通過(guò)雇用員工，以及與其他公司合并，成為了一個(gè)大公司。星系的這種并合現(xiàn)象在宇宙各階段和各處都有發(fā)生，我們已經(jīng)見(jiàn)到了許多處于不同并合階段的星系。
當(dāng)兩個(gè)星系并合時(shí)，星系中心各自的黑洞也會(huì)漸漸靠近，成為新形成的更大星系的中心。當(dāng)這對(duì)黑洞的距離足夠近到受到對(duì)方引力作用的影響時(shí)，我們便把它們稱為雙黑洞。在一定的距離內(nèi)，廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，這對(duì)互相繞轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)輻射引力波（gravitational wave），而引力波開(kāi)始在這個(gè)距離內(nèi)取代其他過(guò)程，主導(dǎo)它們的軌道運(yùn)動(dòng)，加速并合，最終使兩個(gè)黑洞相撞。
雙黑洞在實(shí)際觀測(cè)中極為少見(jiàn)，天文學(xué)家目前的主要研究方式是：逐個(gè)獲取類星體的光譜（比如使用斯隆數(shù)字巡天SDSS的數(shù)據(jù)），尋找其中被認(rèn)為與雙黑洞有關(guān)的特征。至于引力波影響距離之內(nèi)的雙黑洞，更是無(wú)法從望遠(yuǎn)鏡圖像上辨認(rèn)。而我們的團(tuán)隊(duì)采用的則是一種新的方法——在夜空中一定的面積內(nèi)展開(kāi)系統(tǒng)性的搜尋，尋找前面所說(shuō)的周期性光變的類星體。
我們用來(lái)尋找這一信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡，位于美國(guó)夏威夷的茂伊島（Maui）上，名為Pan-STARRS，全稱Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System。（充滿想象力的天文學(xué)家總愛(ài)給一個(gè)項(xiàng)目起巨長(zhǎng)的名字，卻又有一個(gè)好聽(tīng)的縮寫(xiě)名。這個(gè)項(xiàng)目的縮寫(xiě)名譯成中文，大概可以稱為“泛星”。）泛星的觀測(cè)項(xiàng)目之一，便是在長(zhǎng)達(dá)4年多的時(shí)間里，對(duì)它望遠(yuǎn)鏡全部視野里的小范圍夜空，每一季度像拍攝電影一樣有計(jì)劃、有規(guī)律地重復(fù)觀測(cè)，由此得到成千上萬(wàn)個(gè)天體的光變曲線。
在7平方度大小（大約相當(dāng)于大拇指在一臂遠(yuǎn)處的視覺(jué)大?。┑奶靺^(qū)里，對(duì)上百顆類星體進(jìn)行搜尋之后，我們發(fā)現(xiàn)了周期性光變類星體的最佳候選者，一個(gè)名為PSO J334.2028+01.4075的類星體。（天文學(xué)家的想象力有時(shí)也會(huì)枯竭，因此對(duì)于為數(shù)眾多以至于幾乎數(shù)不清楚的天體，通常會(huì)以天體在天空中的坐標(biāo)來(lái)給它們命名。）
我們測(cè)量了它的光變周期，大約為542天，還利用光譜估算出了黑洞的質(zhì)量之和，大約是太陽(yáng)的100億倍。我們還驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果它確實(shí)是理論預(yù)測(cè)中的雙黑洞，那么這兩個(gè)黑洞的間距就僅有0.02光年，只有太陽(yáng)和最近的另一顆恒星比鄰星間距的1/200，近到足以令兩者的運(yùn)動(dòng)受到引力波主導(dǎo)，甚至可能處在快速并合的過(guò)程當(dāng)中——如果情況屬實(shí)的話，這兩個(gè)黑洞會(huì)在大約21年后相撞！
這是目前發(fā)現(xiàn)的間距最近的雙黑洞候選者，也是一個(gè)潛在的引力波源。我們公布這一發(fā)現(xiàn)的論文，于4月14日在《天體物理學(xué)雜志通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表。我們所在的學(xué)院，即美國(guó)馬里蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)及自然科學(xué)學(xué)院，為此發(fā)布了新聞稿，還引起了來(lái)自《自然》、《美國(guó)國(guó)家地理》和果殼網(wǎng)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)記者的興趣。
下一代的大型地基望遠(yuǎn)鏡——大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope）已經(jīng)開(kāi)始建造，預(yù)計(jì)2023年前后啟用。它的威力將是泛星的上千倍，在項(xiàng)目計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)的10年時(shí)間里，將產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)天體的光變曲線。科學(xué)家也開(kāi)始利用遍布世界被稱為脈沖星計(jì)時(shí)陣（Pulsar Timing Arrays）的射電望遠(yuǎn)鏡陣，嘗試觀測(cè)雙黑洞等密近雙天體系統(tǒng)在空間中可能引起的廣義相對(duì)論效應(yīng)?？茖W(xué)家還設(shè)計(jì)建造了地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO），試圖直接探測(cè)引力波。
或許不久，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多類似于PSO J334.2028+01.4075的雙黑洞候選者，甚至直接觀測(cè)到來(lái)自黑洞并合的引力波信號(hào)。畢竟，就算是在我們作為人類的壽命當(dāng)中，區(qū)區(qū)21年似乎也算不上是一段特別漫長(zhǎng)的時(shí)光。
PS：說(shuō)起雙人舞，總是忍不住想到這個(gè)場(chǎng)景，該怎么破？
（編輯：Steed）
聯(lián)系客服
