看過《星際穿越》（Interstellar）的朋友一定對電影里的超大質(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，而是兩個，又是怎樣一幅場景？我們的團隊最近發(fā)現(xiàn)的，正是這樣一對超大質(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？這個故事，要從超大質(zhì)量黑洞本身開始講起。
對天文學(xué)家和天體物理學(xué)家來說，這些質(zhì)量大多為太陽的上百萬甚至數(shù)十億倍的龐然大物，仍充滿了未解之謎。但它們一點都不罕見。我們目前觀測到的所有大型星系的中央，都有這樣的一個黑洞１。比如，銀河系中央就有一個名為人馬座A*（Sag A*）的黑洞。天文學(xué)家認為，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)，我們就稱這個黑洞是“活動”的（active），構(gòu)成了一個活動星系核（active galactic nucleus，縮寫為AGN）。有些活動星系核放出的光２非常明亮，甚至在100多億光年外的地球上也可以被觀測到。
當然，當一個物體距離很遠很遠的時候，你便看不清它的具體形狀，只能看見一個亮點了。這就是類星體（quasar）３這個名字的來源——它是一類離我們很遠、核心又足夠明亮（遠遠亮于它所在星系）的活動星系核，由于在望遠鏡的照相機看來，它和普通的星星沒什么區(qū)別，最初被稱為quasi-stellar object，也就是“類似恒星的天體”。
盡管看上去沒什么區(qū)別，類星體和普通的星星４可完全不同，強大的黑洞是它的核心引擎。一顆恒星在它幾百萬年、幾億年，甚至更長的壽命中都幾乎沒什么變化，類星體卻無時無刻不在變化，不管你盯著它看幾分鐘，還是幾十年。對于這種變化的原因，天體物理學(xué)家有各種理論，主要認為這和吸積盤的不穩(wěn)定有關(guān)。周圍的氣體物質(zhì)圍繞黑洞運動形成吸積盤，黑洞通過它吸收物質(zhì)并輻射電磁波，因此吸積盤的不穩(wěn)定使我們觀測到了類星體在可見光波段產(chǎn)生的光變（variability）。如果把它的光強記錄下來畫在Y軸，觀測的時刻畫在X軸，這條光變曲線（light curve）看起來就會像股市K線圖一樣毫無規(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：當它中心的黑洞不是一個，而是一對時，受到兩個黑洞相互繞轉(zhuǎn)軌道運動的影響，這對雙黑洞吸收物質(zhì)的速率就會發(fā)生相應(yīng)的變化——反映在光變曲線里，便會呈現(xiàn)出周期性的光變。
為什么我們認為會有雙黑洞存在？這要從宇宙學(xué)和星系的演化說起：根據(jù)當今的宇宙學(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；它們通過吸收星系之間的物質(zhì)，以及與其他星系并合，漸漸成長為大型的星系——就好比一個小公司通過雇用員工，以及與其他公司合并，成為了一個大公司。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)見到了許多處于不同并合階段的星系。
當兩個星系并合時，星系中心各自的黑洞也會漸漸靠近，成為新形成的更大星系的中心。當這對黑洞的距離足夠近到受到對方引力作用的影響時，我們便把它們稱為雙黑洞。在一定的距離內(nèi)，廣義相對論預(yù)測，這對互相繞轉(zhuǎn)的黑洞會輻射引力波（gravitational wave），而引力波開始在這個距離內(nèi)取代其他過程，主導(dǎo)它們的軌道運動，加速并合，最終使兩個黑洞相撞。
雙黑洞在實際觀測中極為少見，天文學(xué)家目前的主要研究方式是：逐個獲取類星體的光譜（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，更是無法從望遠鏡圖像上辨認。而我們的團隊采用的則是一種新的方法——在夜空中一定的面積內(nèi)展開系統(tǒng)性的搜尋，尋找前面所說的周期性光變的類星體。
我們用來尋找這一信號的望遠鏡，位于美國夏威夷的茂伊島（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)家總愛給一個項目起巨長的名字，卻又有一個好聽的縮寫名。這個項目的縮寫名譯成中文，大概可以稱為“泛星”。）泛星的觀測項目之一，便是在長達4年多的時間里，對它望遠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劃、有規(guī)律地重復(fù)觀測，由此得到成千上萬個天體的光變曲線。
在7平方度大?。ù蠹s相當于大拇指在一臂遠處的視覺大小）的天區(qū)里，對上百顆類星體進行搜尋之后，我們發(fā)現(xiàn)了周期性光變類星體的最佳候選者，一個名為PSO J334.2028+01.4075的類星體。（天文學(xué)家的想象力有時也會枯竭，因此對于為數(shù)眾多以至于幾乎數(shù)不清楚的天體，通常會以天體在天空中的坐標來給它們命名。）
我們測量了它的光變周期，大約為542天，還利用光譜估算出了黑洞的質(zhì)量之和，大約是太陽的100億倍。我們還驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果它確實是理論預(yù)測中的雙黑洞，那么這兩個黑洞的間距就僅有0.02光年，只有太陽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動受到引力波主導(dǎo)，甚至可能處在快速并合的過程當中——如果情況屬實的話，這兩個黑洞會在大約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，即美國馬里蘭大學(xué)計算機、數(shù)學(xué)及自然科學(xué)學(xué)院，為此發(fā)布了新聞稿，還引起了來自《自然》、《美國國家地理》和果殼網(wǎng)等機構(gòu)的科學(xué)記者的興趣。
下一代的大型地基望遠鏡——大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope）已經(jīng)開始建造，預(yù)計2023年前后啟用。它的威力將是泛星的上千倍，在項目計劃運轉(zhuǎn)的10年時間里，將產(chǎn)生數(shù)以萬計天體的光變曲線。科學(xué)家也開始利用遍布世界被稱為脈沖星計時陣（Pulsar Timing Arrays）的射電望遠鏡陣，嘗試觀測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論效應(yīng)?？茖W(xué)家還設(shè)計建造了地面實驗設(shè)備，例如激光干涉引力波觀測臺（LIGO），試圖直接探測引力波。
或許不久，我們會發(fā)現(xiàn)更多類似于PSO J334.2028+01.4075的雙黑洞候選者，甚至直接觀測到來自黑洞并合的引力波信號。畢竟，就算是在我們作為人類的壽命當中，區(qū)區(qū)21年似乎也算不上是一段特別漫長的時光。
PS：說起雙人舞，總是忍不住想到這個場景，該怎么破？
（編輯：Steed）
