兩個超大黑洞在未來的可能對撞將產生宇宙最強引力波

天文學家發現一對遙遠的超大質量黑洞，可能在未來的某個時刻發生對撞；這兩個黑洞座落於一個距地球25億光年的星系，每個黑洞的質量是太陽的8億倍。此項研究由普林斯頓大學研究學者安迪·戈爾丁領導。在7月10日的《天體物理學雜誌通訊》上，戈爾丁、曼加萊利以及普林斯頓大學和美國海軍研究實驗室的科學家闡述了這一發現。

產生宇宙最強引力波

一個距地球25億光年的星系，存在一對超大質量黑洞。環繞這對黑洞的暖氣體和明亮恆星暴露了它們的位置

根據天文學家的觀測，這兩個黑洞在不斷靠近的過程中，泛起的引力波漣漪將穿過周圍的時空。這些宇宙漣漪將與尚未被探測到的來自其它超大質量黑洞的引力波背景噪音結合在一起。即使發生對撞前，這對黑洞產生的引力波強度也遠超此前探測到的小規摸黑洞和中子星合並產生的引力波。

雷射干涉引力波天文台（LIGO），用於探測引力波

超大質量黑洞對的發現者之一、紐約熨鬥研究院計算天體物理學中心的副研究科學家奇亞拉·曼加萊利表示：“超大質量黑洞對能夠產生宇宙內最猛烈的引力波。它們產生的引力波強度是雷射干涉引力波天文台（LIGO）探測到的引力波的100萬倍。”

估算超大黑洞數量

這兩個超大質量黑洞之所以引起天文學家的濃厚興趣，是因為它們距地球大約25億光年。在天文學領域，觀測遙遠天體就像讓時間倒流。出現這對黑洞時，宇宙的年齡比現在年輕25億歲。巧合的是，天文學家估計黑洞大約需要25億年，才開始產生猛烈的引力波。

在當前的宇宙，黑洞也在產生引力波，但即使以光速的速度傳播，幾十億年內也不會抵達地球。發現這對超大質量黑洞有助於科學家估算地球附近有多少超大質量黑洞能產生我們探測到的引力波。

揭示星系合並頻率

藝術概念圖，一個被致密氣體-塵埃盤環繞的星系中央超大質量黑洞

探測到引力波背景有助於科學家揭開天文學領域的一些最大謎團，例如星系合並的頻率，超大質量黑洞對究竟是合並，還是彼此環繞並陷入一曲幾乎無止境的華爾茲舞。研究論文合著者、普林斯頓大學天體物理學教授詹尼·格裡納指出：“我們不知道超大質量黑洞是否會發生合並，這是天文學界的一大尷尬。每一個致力於黑洞物理學研究的科學家都應付出自己的努力，揭開這個長久以來存在的謎團。”

超大質量黑洞堪稱的宇宙中的質量怪獸，質量可達到太陽的數百萬倍，甚至數十億倍。包括銀河系在內，幾乎所有星系的中央都至少存在一個超大質量黑洞。星系合並時，它們的超大質量黑洞相遇，開始彼此環繞。隨著時間的推移，在黑洞之間穿過的氣體和恆星不斷盜取能量，導致它們的軌道愈發緊湊。

引力波是時空結構泛起的漣漪，由兩個致密天體合並導致，例如黑洞或者中子星。這種漣漪的傳播速度達到光速

一旦兩個超大質量黑洞靠得足夠近，能量竊賊通常停止“作案”。一些理論研究表明兩個超大質量黑洞在相距大約1秒差距（大約32億光年）時停止腳步。這種現象幾乎會永遠持續下去，被稱之為“最後一秒差距問題”。在這種假設中，只有三個或更多超大質量黑洞組成的罕見洞群能夠發生合並。

不過，天文學家很難搜尋到停止腳步的超大質量黑洞對，因為在兩個黑洞進入最後一秒差距前很久，它們就因為距離太近而無法分辨。此外，在克服最後一秒差距障礙並進一步靠近前，它們不會產生強烈的引力波。此次發現的超大質量黑洞對大約相隔430秒差距。

黑洞吸食伴星的氣體

天文學家認為如果不存在最後一秒差距問題，宇宙中將遍布超大質量黑洞對產生的強引力波。戈爾丁表示：“這種噪音被稱之為引力波背景，有點像在夜晚亂叫的一群蟋蟀。你無法區分這些蟋蟀，但噪音的分貝能夠幫助你估算蟋蟀的數量。”（當兩個超大質量黑洞最終相撞並合二為一，它們會釋放出雷鳴般的噪音，讓其它任何噪音都無法望其項背。這種事件短暫並且異常罕見，科學家並不認為能夠在短期內觀測到。）

提供實際觀測的估算依據

超大質量黑洞對產生的引力波頻率並不在LIGO和處女座探測器等實驗的觀測範圍內。引力波獵人利用脈衝星陣列充當節拍器。這種快速旋轉的恆星以穩定的節奏釋放無線電波。如果引力波延伸到或者擠壓地球和脈衝星之間的空間，這個節奏便會發生小幅改變。

超大質量黑洞藝術概念圖。這種黑洞被炙熱墜落物質形成的吸積盤環繞，再往外便是一個多塵環面。黑洞的兩極還會噴射高速物質流，能夠在太空中延伸極遠的距離

利用脈衝星計時陣探測引力波背景需要監測大量恆星，需要很耐心。一顆脈衝星的節奏在10年內可能隻發生幾百納秒的變化。背景噪音的聲音越大，脈衝星計時陣的變化幅度越大，讓天文學家更早發現引力波背景。

戈爾丁、格裡納和研究小組的其他天文學家借助哈勃太空望遠鏡探測到這對超大質量黑洞。超大質量黑洞無法通過光學望遠鏡被直接觀測到，但它們被自身強大引力拖拽束縛的明亮恆星和暖氣體環繞。戈爾丁表示新發現的超大質量黑洞對所在的星系是迄今為止在宇宙中發現的最明亮的星系之一。此外，這個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鏡對準這個星系並揭示其龐大氣雲的源頭後，他們發現這個星系存在兩個超大質量黑洞。

超級計算機模擬圖，黑洞合並釋放引力波

隨後，觀測人員與研究引力波的物理學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發現。研究發現提供了一個錨點，可幫助科學家估算可觀測範圍記憶體在多少超大質量黑洞對。此前的評估依靠星系合並頻率的電腦模型，而不是對超大質量黑洞對的實際觀測。

帕爾多和曼加萊利根據研究發現得出預測，地球附近存在大約112個放射出引力波的超大質量黑洞。大約5年後，科學家可能第一次探測到超大質量黑洞產生的引力波背景。如果沒有上演這一觀測發現，證明最後一秒差距問題可能無法逾越。現在，研究小組正對可能存在超大質量黑洞對的其它類似星系進行觀測。發現更多超大質量黑洞對將幫助科學家進一步精確他們的預測。

翻譯：牛樹軍

編輯：黃雯鐿