直击“小突峰（Spikey）”：一对可能正在合并中的超大质量黑洞 

图片源于艺术家对两个即将合并黑洞的想象，它们各自为一个发光圆盘所环绕，而发光圆盘由坠落的残留气体和尘埃所组成。图片来源：NASA

在一个遥远星系的中心，一个奇怪地发出“亮光”的物体可能是解开宇宙最巨大的黑洞合并之谜的关键。

超大质量黑洞的质量达到我们星系太阳的数百万乃至十亿倍，它们是终极的“重量级”选手，并且它们隐藏在几乎每一个大星系的中心。虽然它们不发光，但是这些物体作为活跃星系核时(AGNs)可以产生壮观的天体烟火，在“进食”气体和尘埃时发出高能粒子喷流并产生由残留物质形成的旋转“盘”,它们在整个宇宙都清晰可见。现在，科学家在一个遥远的活跃星系核发现了一道亮光，他们怀疑是一个超大质量黑洞放大了附近的另一个超大质量黑洞释放的光。这意味着这对黑洞可能在之后的100,000年后合并。如果这两个黑洞真的合并的话，它们将让天文学家可以史无前例地观察到黑洞是如何相互靠近合并，这一科学家仍不怎么理解的过程。

在2017年，天体物理学家Daniel D'Orazio和Rosanne Di Stefano 详细描述了一对即将合并的超大质量黑洞会如何互相产生引力透镜效应，以及如果即将发生的合并的轨道平面和地球平行的话，随之产生的信号将如何能被观察到。环绕黑洞的物质在向其中任何一个黑洞加速时，应该会辐射x射线。当其中一个黑洞在另一个黑洞前面经过时，前面的黑洞的巨大并能扭曲时空的引力场将能像一块透镜一样放大背后的光源。“这是一个非常独特的现象，” Di Stefano说道，她是哈佛大学和史密森尼研究院天体物理中心的一名研究员。

在10月份，她和D’Orazio与数位合作者一起，报告发现了一个物体发出与她们的理论预测一致的信号。在2011年由NASA负责寻找行星的开普勒太空望远镜所搜集的信息发现了一个活跃星系核的图谱上有一个奇怪的波峰。如果这个被戏称“小突峰”的物体，正如D’Orazio和他的同事预测的那样，在今年春天再次发出“亮光”的话，这将会成为他所说的证明其是一对即将合并的超大质量黑洞的有力证据。多拉齐奥是哈佛大学的以为天文学家。他在美国天文学会上个月在檀香山举行的一个的会议上展示了这些新的分析结果。

“最后一秒差距问题”

当星系碰撞时，在它们中心的超大质量黑洞最后将会进入新创造的星系的中心并最终会被拉到一起。对合并中星系的核心的观测表明可能只有一个超大质量黑洞（很可能由两个或多个黑洞合并而来），或是黑洞在几秒差距以内相互环绕（一秒差距大概是3.26光年）。

“我们确信当两个星系合并时，在它们各自中心的黑洞将靠近到一秒差距以内，” 麻省理工学院的天体物理学家Scott Hughes说道。他没有参与这项研究。

问题在于最后一秒差距，那里的重力将不足以克服每个黑洞轨道所产生的离心力，以使它们进一步靠近。如果没有稳定的物质流入来推一把的话，这两个黑洞可能就此止步，并维持相持的状态直至宇宙最后一刻。更小的，恒星质量黑洞则不存在这一问题，它们可以通过释放大量引力波来释放多余的轨道能量，从而更容易地合并。而更大的黑洞则需要帮助来克服那最后的难题，然后它们就能通过释放引力波释放多余的轨道能量。到那时将没有什么能阻止它们的合并。

“我们并不太了解在最后那一秒差距发生了什么，”加州理工学院的宇宙学家Matthew Graham说道，他并没有参与这项新的研究。“我们有理论解释，但是我们没有很好的观测证据来支持理论。”至少，研究人员目前还没有这样的证据。

除了发现了数以千计的地外星系以外，开普勒太空望远镜还发现了几十个活跃星系核。2018年对这些物体的一份研究发现一个名为KIC 11606854的物体有反常的“发光”活动。进一步的观测表明，这时亮时暗的光与一对合并中的黑洞对彼此可能产生引力透镜效应的预测一致。你好，“小突峰”。

“一切都十分巧合，” Betty Hu说道。他是哈佛大学的一名研究生，同时也是汇报 “小突峰”发现的预印论文的第一作者。研究开普勒望远镜发现的活跃星系核的研究者告知了D’Orazio和他的同事这一信息，他们随即发现这信号与引力透镜模型匹配的非常好，Di Stefano说道。

Di Stefano预测合并中的黑洞可能各自被一个“迷你盘”所环绕，而“迷你盘”嵌在一个更大的同时环绕两个黑洞的共享盘里。随着黑洞的进食，迷你盘可能会逐渐消失，只是间或会受到来自外面大盘的物质的补充。每个黑洞各自“咀嚼”一个盘可能会有带来一个好处，这会释放额外的轨道能量，并让两个黑洞螺旋地相互靠近，进而可能克服最后一秒差距问题。根据研究者的模型，“小突峰”将在大约100,000年后合并——这在天文学的时间尺度上，不过是相当于一眨眼的功夫。

直至下一次“亮光”

然而，仅仅一次“亮光”并不足以证实“小突峰”是一对合并中的黑洞。D’Orazio和他的同事们已经着手计划在今年春天研究“小突峰”以寻找更多的证据。基于他们对于这对黑洞轨道最准确的估计，他们初步预计下一次引力透镜事件最有可能于2020年4月发生。但是，Hu说道，仍存在的不确定性意味着“亮光”可能再2月至7月的任何时间点发生。

该团队已经预订了NASA钱德拉X射线天文台以观测预计在4月份发生的“亮光”，它应该会持续10天左右。与此同时，研究者也将继续使用地面的设备监测该系统。如果“小突峰”在4月以前开始有发出“亮光”的迹象，他们希望能够窥视到，从而转用钱德拉和其它设备进行观察。“我认为，（D’Orazio）做得很好，很好地找到了所有可行的方法对这个系统进行跟进，这各系统是合并中黑洞的最佳候选者，” Di Stefano说道。

如果“小突峰”和预计的一样在今年春季再次发出“亮光”，这将意义重大。“如果它能稳定地发出“亮光”并确实是双黑洞系统的话，我认为它将成为一个很好的例子，告诉我们如果试图寻找相互接近但仍未合并的双黑洞系统，应该寻找什么样的特征。”修说道。这样一个例子将会让将来寻找合并中的超大质量黑洞变得更加容易。

同时那样的结果对于欧洲太空局激光干涉仪太空天线（LISA）任务也会是个好消息。它预计将在2030年前后发射以侦测超大质量黑洞释放的引力波。虽然LISA很可能不会观测到“小突峰”的合并，但是它可以让该任务的规划者更好地了解有多少个正在合并中的庞然大物供这个太空探测器观测。

无 “亮光”之谜

但“小突峰”也有可能不再“发光”，也许它根本就不是一对超大质量黑洞。据Graham所说，过去几年有越来越多的研究声称发现可能正在合并中的超大质量黑洞，结果最后发现却是其他的东西。

如果在7月份过去之后仍然没有任何再次产生“亮光”的迹象，那有可能原来的事件只是源于一个相对普通活跃星系核的之前从未见过的一种“亮光”。虽然还有一些其他的接近合并的超大质量黑洞的候选者有待证实，但是没有监测到“亮光”将让合并中的黑洞的搜索几乎回到原点。

但是没有再次观测到“亮光”并不必然意味着Di Stefano和D’Orazio的模型是错误的。“这是一个在宇宙中某个地方必然会发生的过程，”Di Stefano说道。只要两个黑洞相互环绕，就应该会产生引力透镜效应。只要是这对黑洞在一个适当的方位，那么这个效应就可以在地球上观测到。她和D’Orazio在她们原来的论文中预测大概有10%的双黑洞系统会在一个合适的角度，让天文学家能一窥它们因为引力透镜效应发出的“亮光”。

“就算‘小突峰’没有再发出“亮光”，我们也知道这样的过程会发生，”Di Stefano说道。“最终，我们应该能侦测到，但我们可能要观测其它的双黑洞系统来找到它。”Graham同意他的观点。“这是个简洁合理的想法，”他说道，“这些东西应当会产生引力透镜效应。”

作者：Nola Taylor Redd

翻译：莫泽鑫

审校：郭晓

引进来源：科学美国人