黑洞合并？到底咋回事？

科学家在遥远的活动星系核中发现了耀斑。他们怀疑这是一个超大质量黑洞，放大了附近另一个超大质量黑洞发出的光。这意味着这对黑洞可能在未来10万年内合并。

想象中的两个黑洞即将合并的画面，每个黑洞都被一个发光的圆盘(由尘埃碎片和气体组成)所包围。资料来源:美国航天局

作者:诺拉·泰勒·雷德

翻译:莫泽新

审校:小果

超大质量黑洞的质量是太阳系的数百万甚至数十亿倍。它们在宇宙中拥有最大的重量，隐藏在每个大星系的中心。尽管它们不发光，但它们能产生壮观的“天体烟火”，因为它们消耗气体和尘埃，发射高能粒子射流，并产生旋转的碎片盘。由这些高能粒子喷流和碎片圆盘形成的活动星系核(AGN)在整个宇宙中清晰可见。

现在，科学家们在遥远的活动星系核中发现了一个耀斑。他们怀疑这是一个超大质量黑洞，放大了附近另一个超大质量黑洞发出的光。这意味着这对黑洞可能在未来10万年内合并。如果这两个黑洞真的合并，天文学家将首次观察黑洞是如何相互靠近并合并的。然而，迄今为止，科学家仍不了解这一过程。

2017年，天体物理学家丹尼尔·多拉齐奥(Daniel D'Orazio)和罗珊·迪·斯特凡诺(Rosanne Di Stefano)详细描述了一对即将合并的超大质量黑洞将如何相互产生引力透镜效应，以及如果即将合并的轨道平面平行于地球，我们将如何观察这一过程产生的信号。黑洞周围的物质在向任何一个黑洞加速时应该会放射出X射线。当一个黑洞在另一个黑洞前面经过时，前面的黑洞会扭曲空间和时间的引力场，并将像透镜一样放大后面的光源。“这是一个非常独特的现象，”哈佛大学和史密森学会天体物理学中心的研究员迪·斯特凡诺说。

去年10月，她和多拉齐奥以及其他报告发现了来自天体的信号，这与他们的理论预测一致。2011年，美国宇航局的开普勒任务收集的数据揭示了一个活跃的星系核，叫做尖峰，有一个奇怪的峰。如果这个天体今年春天发出另一个“耀斑”，他们将有确凿的证据证明“斯派克”是一对将要合并的超大质量黑洞。

最后一秒钟的间隙

当星系碰撞时，它们中心的超大质量黑洞最终会进入新创建的星系中心，并最终聚集在一起。对合并后的星系核心的观察表明，可能只有一个超大质量黑洞(可能是由两个或更多黑洞合并而成)，或者几个黑洞在几秒内相互环绕(一秒约为3.26光年)。

麻省理工学院的天体物理学家斯科特·休斯没有参与这项研究，他说:“我们非常确定，当两个星系合并时，它们各自中心的黑洞会在一秒钟内相互靠近。”。问题是在最后一秒钟，重力不足以克服每个黑洞轨道产生的离心力，使它们更靠近。

如果没有稳定和大量的物质流入，这两个黑洞可能不会继续合并，而是保持相对运动的状态，直到宇宙的最后一刻。较小的恒星质量黑洞将不会受到“最后一秒”的影响。它们可以通过释放大量引力波来释放多余的轨道能量，从而更容易合并。另一方面，较大的黑洞需要满足一些条件才能克服这个最后的问题，然后它们可以通过释放引力波最终合并。

“我们不太清楚最后一秒钟发生了什么，”加州理工学院的宇宙学家马修·格雷厄姆说。“我们有一个理论解释，但是我们没有好的观察证据来支持这个理论。”

除了发现数千个外星星系，开普勒任务还发现了数十个活跃的星系核。2018年对这些物体的研究发现，一个名为KIC 11606854的物体有异常的“发光”活动。进一步的观察表明，这种当时明亮而黑暗的光与一对合并黑洞的预测相一致，这两个黑洞可能会相互产生引力透镜效应。

哈佛大学研究生贝蒂·胡说:“一切都很幸运。”他是第一个报道“斯派克”发现的预印论文的作者。当多拉齐奥和他的同事了解到这个信息时，他们立即发现这个信号与引力透镜模型非常匹配。迪斯蒂法诺预测，合并中的黑洞可能都被一个“迷你盘”所包围，这个“迷你盘”被嵌入一个更大的共享盘中，这个共享盘围绕着两个黑洞。随着黑洞的吞噬，迷你圆盘可能会逐渐消失，偶尔会被外部共享圆盘的物质补充。“迷你盘”可能有助于释放额外的轨道能量，允许两个黑洞螺旋地相互靠近，从而有可能克服最后一个帕西问题。根据研究模型，“斯派克”将在大约100，000年后合并(在天文时间尺度上，这只是一眨眼的功夫)。

直到下一次耀斑

然而，仅仅一次耀斑不足以证明斯派克是一对合并的黑洞。多拉齐奥和他的同事已经开始计划在今年春天研究“斯派克”来寻找更多的证据。基于对黑洞轨道的最精确估计，他们最初预测下一次引力透镜事件最有可能发生在2020年4月。然而，胡说，这一预测仍有不确定性，耀斑可能发生在二月至七月之间的任何时候。

该小组已经预约了美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台来观察预计在4月份出现的耀斑，这将持续大约10天。与此同时，研究人员将继续使用地面设备监控该系统。他们希望能够看到“斯派克”可能在4月前开始发出“强光”信号，从而切换到钱德拉和其他设备进行观察。迪·斯特凡诺说，“我认为多拉齐奥做得很好。”他找到了所有可行的方法来追踪这个系统，因为它是合并黑洞的最佳候选者。"

如果斯派克像预测的那样在今年春天发射另一个耀斑，这将是非常重要的。休斯说，“如果它能稳定地发射耀斑，并且确实是一个双黑洞系统，我认为这将是一个很好的例子来说明相互靠近但尚未合并的双黑洞系统应该具有什么特征。”这将使未来在合并中更容易发现超大质量黑洞。

如果没有耀斑

但是“尖峰”可能不再“发光”，也许它根本不是一对超大质量黑洞。格雷厄姆说，在过去几年里，越来越多的研究声称发现了可能正在融合的超大质量黑洞，但最终他们发现了其他东西。

如果今年7月之后仍然没有另一个独特的耀斑的迹象，这可能表明先前的现象只是一个来自一个相对常见的活动星系核的耀斑，这是以前从未见过的。虽然仍有一些其他超大质量黑洞接近合并有待确认，但没有发现耀斑，这将使寻找合并黑洞的工作几乎回到原点。

然而，未能再次观察到耀斑并不一定意味着迪斯蒂法诺和多拉齐奥的模型是错误的。“这是一个必须发生在宇宙某个地方的过程，”迪斯蒂法诺说。只要两个黑洞相互包围，引力透镜效应就会发生。只要这对黑洞处于正确的方向，这种效应就可以在地球上观察到。她和多拉齐奥在论文中预测，大约10%的双黑洞系统会让天文学家以适当的角度通过引力透镜效应看到它们产生的耀斑。

迪斯蒂法诺说:“即使‘扣球’不发出‘光’，我们也知道类似的现象会再次发生。”。“最终，我们应该能够探测到它，但我们可能必须看看其他双黑洞系统才能找到它。”

原始链接:https://www . scientific American . com/article/meet-spikey-a-possible-pair-merging-super mass-black-holes/

如何解开黑洞合并之谜