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黑洞的死亡双人舞

几十亿年之后,如果人类还在,那么那时的人类将有幸目睹一大天文奇观——银河系与仙女座星系的相撞。

根据科学家的模拟显示,我们可能看不到天体相撞的火光四射、烈焰横飞的景象,倒是更有可能看到夜空中星星快速移动的场面。最终两个星系完全融合,变成一个更大的星系(相关内容请参看我刊2007年第12期A《当银河撞到仙女》)。那么合并时,这两个星系中心的超大质量黑洞相遇时会怎么样呢?根据我们的常识,星系中心的黑洞引力极大,能够吞噬周边一定范围内的所有物质,即使是光也无法逃脱。这样看来,两个超大质量黑洞相遇时,势必会“张开血盆大嘴”互相吞噬,快速完成合并。

但事实果真如此吗?研究人员通过计算机模拟发现,超大质量黑洞遇到超大质量黑洞时,场面不会那么“血腥”,反而可以说有那么一点浪漫。

黑洞与黑洞相遇的想象图,科学家认为这个过程会产生引力波.jpg

浪漫的黑洞双人舞


在一些歌舞剧中经常有这样的景象:两个一见钟情的人,被对方莫名吸引,他们开始跳起表达两个人心中爱意的舞蹈,然后两个人越来越近……两个超大质量黑洞相遇时,景象也类似,它们会被对方吸引,相互环绕运动。

科学家的模拟显示,当两个星系合并时,它们中心的两个超大质量黑洞彼此围绕靠近对方,然后被对方的引力捕获,两者之间形成了联系,它们就像被对方吸引的两个人,不分离。按照这样的发展,两个超大质量黑洞应该会很快合并,但是让人出乎意料的是,当两个超大质量黑洞之间达到一定距离——大约3光年(1秒差距)时,它们虽然仍绕着对方旋转,但是却变得害羞起来,就像互相爱慕,但都不肯先表白的两个人,始终保持距离。为什么超大质量黑洞合并的过程中会有这样的插曲呢?

事实上,在两个超大质量黑洞相互靠近的过程中,黑洞会将能量转移到气体和恒星之间,从而使自身损失能量。这个作用的结果就是使黑洞的轨道发生变化,通过不断的能量转移一步步靠近。但是当两个黑洞的距离达到1秒差距时,它们之间剩余的物质已经很少,它们不能再通过向周围的物质转移能量,来改变自己的轨道。而两个超大质量黑洞要想再继续向对方靠近,那么就只能默默地旋转,慢慢消耗自己的能量,逐渐接近彼此,最终合并在一起。而科学家们发现,这样的过程所耗费的时间可能会超过当前宇宙的年龄。

但在现实中,的确存在超大质量黑洞合并现象。这就像两个互相爱慕的人,不管过了多长时间,经历了多少困难,最终还是会有情人终成眷属一样。那么,超大质量黑洞究竟最后怎么克服困难,合并在一起的?这个问题就是长期困扰科学家的“最后秒差距问题”。

不过,对于恒星级黑洞来说,合并可能要简单得多,不会被最后秒差距问题所困。恒星级黑洞是由大质量的恒星引力坍缩而成的,它们的质量几倍到几十倍于太阳质量不等。相比于星系中心百万倍甚至百亿倍于太阳质量的超大质量黑洞,恒星级黑洞就是小不点。恒星级黑洞合并通常发生在由双星系统演化而来的双黑洞系统。只要最初两颗恒星的位置比较相近,那么演化为双黑洞系统后,两颗黑洞就有机会在不太长的时间里发生合并。


解决最后秒差距的关键


在过去30年里,科学家已经收集了数百个星系中心超大质量黑洞合并的照片,这些超大质量黑洞属于合并的不同阶段,但是即使是最“亲密”的两个超大质量黑洞,它们的距离也不小于几千秒差距。科学家们之所以不能观测到更靠近的超大质量黑洞,是因为现在的观测设备还不够强大,还无法解析出两个靠得更近的超大质量黑洞。

那是不是说最后秒差距问题就不能解决了呢?科学家说:不是!根据广义相对论,当两个超大质量黑洞靠得非常近时——几百亿千米(约0.001秒差距)时,它们会抛掉大量的能量,这些能量大部分以引力波的形式被释放到宇宙中,最后两个黑洞会在能量大爆发中完成合并,此时会产生强烈的引力波信号。

既然超大质量黑洞的合并会产生巨大的引力波,那么我们只要关注正在合并的超大质量黑洞方向是否有引力波信号,以及引力波的变化,那不就有可能研究出它们怎么合并的,并解决最后秒差距问题了吗?但问题是,现在的望远镜根本“不认识”引力波,因为太空望远镜只能“看到”辐射,而引力波则需要“听”。

那么,有什么方法可以让我们“聆听”到超大质量黑洞合并时制造的引力波吗?


“聆听”引力波的方法


为了“聆听”到引力波,科学家想了很多办法,其中就包括在地球上建专门用于检测引力波的探测器,比如位于美国的激光干涉引力波天文台(即LIGO),这个天文台由两个引力波探测器组成,是目前世界上灵敏度最高的引力波探测器。而在2015年9月,LIGO就首次直接捕捉到了引力波信号,但这次的引力波是两个恒星级黑洞合并时产生的(相关内容可参阅我刊2016年04A《发现引力波:爱因斯坦又对了》)。事实上,LIGO只能检测到恒星级黑洞合并。因为超大质量黑洞的合并,产生的引力波频率较低,为10-3赫兹左右,低于LIGO的检测范围(1赫兹~10万赫兹)。要想检测到超大质量黑洞的合并,必须建造更大的引力波探测器。目前还在设计中的“激光干涉太空引力波天线”(LISA)的检测频率更低一些,为10-5赫兹~1赫兹,有机会检测到超大质量黑洞合并时产生的引力波。

除了LISA以外,科学家想到了借助自然界中的“望远镜”——毫秒脉冲星。毫秒脉冲星是高速旋转的恒星“尸体”,和普通的脉冲星一样,它们发出的无线电波也能周期性地扫过地球,但不同的是,毫秒脉冲星的自转周期更短,每秒旋转上百次,所以它们所发出的无线电波能在非常短的时间内按照非常固定的周期扫过地球。这就意味着,毫秒脉冲星这个天然的望远镜可能比人类的引力波探测器更加灵敏,如果引力波对脉冲星的无线电信号产生了干扰,那么科学家们是很有可能会发现的。而几个或者几十个毫秒脉冲星组成的脉冲星计时阵列则更加灵敏,最低能检测到纳赫兹级频率的引力波。并且与单个毫秒脉冲星相比,毫秒脉冲星阵列就像一张大网,捕捉到引力波的几率更大。

利用这些方法,科学们有可能发现超大质量黑洞合并时制造的引力波,获得关键性的数据,从而在计算机上更准确地模拟超大质量黑洞合并最后1秒差距内的情况。


合并的超大质量黑洞在哪里?


既然科学家已经知道怎么找到引力波了,那么去哪儿找即将合并的超大质量黑洞呢?

闪烁的类星体是不错的选择。类星体是大型的古老星系核,星系核的中心则是超大质量黑洞。其中心的超大质量黑洞拥有强大的引力,周围的物质会被吸引,聚集在黑洞周围旋转,形成一个圆形的吸积盘,而黑洞在吞噬物质时,会加热吸积盘上的物质,发出强光,因此类星体很明亮。但是黑洞周围的气体和尘埃不是均匀、稳定地流向吸积盘,因此类星体所发出的光通常也是不规律的,有时更亮一些,有时则暗一些。然而如果类星体中有两个超大质量黑洞,那么第二个黑洞的旋转就会对类星体物质盘产生影响,使类星体发出的光变得有规律。

这样拥有两个黑洞的类星体是可能存在的。2013年,科学家就观测到了一个奇特的类星体,它的编号为“PG 1302-102”,距离地球约35亿光年,它的特别之处在于它正在有规律地变亮——每5年亮度就增大一次,就好像有人在周期性地切换灯的开关。这与普通的类星体不同,科学家认为,这个类星体中有两个超大质量黑洞,而且它们正处于合并的过程中,它们的距离可能只有0.01秒差距,甚至可能是0.001秒差距,这大约等于太阳系的直径。预计这两个超大质量黑洞将在100万年之内完成合并。届时,两个相互环绕、急速旋转的超大质量黑洞会在宇宙中掀起涟漪,释放引力波,科学家们有可能可以检测到。

让人欣慰的是,拥有两个超大质量黑洞的类星体不在少数。迄今为止,科学家已经确定了100多个可能含有两个超大质量黑洞的类星体,这些超大质量黑洞之间的距离可能都在最后秒差距的范围内。这些候选者或许可以让科学家们窥探到超大质量黑洞合并的最后时刻。

这样看来,科学家要了解超大质量黑洞合并最后时刻的细节,只是时间问题。而从解决此问题的意义上来说,科学家们并不只是为了看两个超大质量黑洞合并的最后阶段是什么情况,最重要的是科学家希望通过超大质量黑洞的合并及其所释放的引力波,了解宇宙结构的形成,以及引力的本质,这才是科学家不断搜寻天空,试图窥探超大质量黑洞合并最后时刻的主要原因。



小贴士:

秒差距

秒差距是天文学中使用的距离单位。主要用来量度太阳系外天体间的距离。1秒差距等于3.26164光年,也等于206265天文单位,还等于30.8568万亿千米。




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