天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一對遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，可能在未來的某個時刻發(fā)生對撞；這兩個黑洞座落于一個距地球25億光年的星系，每個黑洞的質(zhì)量是太陽的8億倍。此項研究由普林斯頓大學(xué)研究學(xué)者安迪·戈爾丁領(lǐng)導(dǎo)。在7月10日的《天體物理學(xué)》上，戈爾丁、曼加萊利以及普林斯頓大學(xué)和美國海軍研究實驗室的科學(xué)家闡述了這一發(fā)現(xiàn)。

產(chǎn)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(zhì)量黑洞。環(huán)繞這對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，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(zhì)量黑洞的引力波背景噪音結(jié)合在一起。即使發(fā)生對撞前，這對黑洞產(chǎn)生的引力波強度也遠(yuǎn)超此前探測到的小規(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（LIGO），用于探測引力波

超大質(zhì)量黑洞對的發(fā)現(xiàn)者之一、紐約熨斗研究院計算天體物理學(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)生的引力波強度是激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到的引力波的100萬倍?！?/p>

估算超大黑洞數(shù)量

這兩個超大質(zhì)量黑洞之所以引起天文學(xué)家的濃厚興趣，是因為它們距地球大約25億光年。在天文學(xué)領(lǐng)域，觀測遙遠(yuǎn)天體就像讓時間倒流。出現(xiàn)這對黑洞時，宇宙的年齡比現(xiàn)在年輕25億歲。巧合的是，天文學(xué)家估計黑洞大約需要25億年，才開始產(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)也不會抵達(dá)地球。發(fā)現(xiàn)這對超大質(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)生我們探測到的引力波。

揭示星系合并頻率

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

探測到引力波背景有助于科學(xué)家揭開天文學(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)量黑洞對究竟是合并，還是彼此環(huán)繞并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(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)量黑洞是否會發(fā)生合并，這是天文學(xué)界的一大尷尬。

每一個致力于黑洞物理學(xué)研究的科學(xué)家都應(yīng)付出自己的努力，揭開這個長久以來存在的謎團(tuán)。”超大質(zhì)量黑洞堪稱的宇宙中的質(zhì)量怪獸，質(zhì)量可達(dá)到太陽的數(shù)百萬倍，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超大質(zhì)量黑洞。星系合并時，它們的超大質(zhì)量黑洞相遇，開始彼此環(huán)繞。隨著時間的推移，在黑洞之間穿過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。

• 引力波是時空結(jié)構(gòu)泛起的漣漪，由兩個致密天體合并導(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超大質(zhì)量黑洞在相距大約1秒差距（約合3.26光年）時停止腳步。這種現(xiàn)象幾乎會永遠(yuǎn)持續(xù)下去，被稱之為“最后一秒差距問題”。在這種假設(shè)中，只有三個或更多超大質(zhì)量黑洞組成的罕見洞群能夠發(fā)生合并。

不過，天文學(xué)家很難搜尋到停止腳步的超大質(zhì)量黑洞對，因為在兩個黑洞進(jìn)入最后一秒差距前很久，它們就因為距離太近而無法分辨。此外，在克服最后一秒差距障礙并進(jìn)一步靠近前，它們不會產(chǎn)生強烈的引力波。此次發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞對大約相隔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題，宇宙中將遍布超大質(zhì)量黑洞對產(chǎn)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(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?！保ó?dāng)兩個超大質(zhì)量黑洞最終相撞并合二為一，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。這種事件短暫并且異常罕見，科學(xué)家并不認(rèn)為能夠在短期內(nèi)觀測到。）

提供實際觀測的估算依據(jù)

超大質(zhì)量黑洞對產(chǎn)生的引力波頻率并不在LIGO和處女座探測器等實驗的觀測范圍內(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，這個節(jié)奏便會發(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，再往外便是一個多塵環(huán)面。黑洞的兩極還會噴射高速物質(zhì)流，能夠在太空中延伸極遠(yuǎn)的距離

利用脈沖星計時陣探測引力波背景需要監(jiān)測大量恒星，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，脈沖星計時陣的變化幅度越大，讓天文學(xué)家更早發(fā)現(xiàn)引力波背景。戈爾丁、格里納和研究小組的其他天文學(xué)家借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡探測到這對超大質(zhì)量黑洞。

超大質(zhì)量黑洞無法通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被直接觀測到，但它們被自身強大引力拖拽束縛的明亮恒星和暖氣體環(huán)繞。戈爾丁表示新發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞對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)鏡對準(zhǔn)這個星系并揭示其龐大氣云的源頭后，他們發(fā)現(xiàn)這個星系存在兩個超大質(zhì)量黑洞。

超級計算機(jī)模擬圖，黑洞合并釋放引力波

隨后，觀測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發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)提供了一個錨點，可幫助科學(xué)家估算可觀測范圍內(nèi)存在多少超大質(zhì)量黑洞對。此前的評估依靠星系合并頻率的電腦模型，而不是對超大質(zhì)量黑洞對的實際觀測。

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

博科園｜文：托馬斯·薩姆納

轉(zhuǎn)自：漫步宇宙/qqtaikong

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