兩個即將相撞的超大質量黑洞：雙人舞！

電影《星際穿越》里有一個超大質量黑洞給人留下深刻印象，而現在本文作者及其同事發現了兩個即將相撞的大黑洞。

看過《星際穿越》(Interstellar)的朋友一定對電影里的超大質量黑洞(supermassive black hole)印象深刻。現在，想像一下，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?我們的團隊最近發現的，正是這樣一對超大質量雙黑洞，距離地球足有100多億光年。我們是怎麼發現它的?這個故事，要從超大質量黑洞本身開始講起。

對天文學家和天體物理學家來說，這些質量大多為太陽的上百萬甚至數十億倍的龐然大物，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。天文學家認為，這些黑洞與所在星系的形成和演化密切相關。

但大多數黑洞都並不「活躍」(Sag A*目前就不活躍)——它們處於一種相對安靜的狀態，默默地吸收(accrete)周圍的氣體物質，從而放出一些不那麼耀眼的光芒。但是，如果一個黑洞處於它的「事業巔峰」，正以極快的速度和極高的效率吞噬物質，我們就稱這個黑洞是「活動」的(active)，構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(遠遠亮於它所在星系)的活動星系核，由於在望遠鏡的照相機看來，它和普通的星星沒什麼區別，最初被稱為quasi-stellar object，也就是「類似恆星的天體」。

藝術家假想圖：一個類星體中心的黑洞。盤狀物體是黑洞的吸積盤。我們還可以看到黑洞產生的噴射流(其實是一對，圖中只能看到一條)，由外流物質在磁場作用下形成。

儘管看上去沒什麼區別，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。一顆恆星在它幾百萬年、幾億年，甚至更長的壽命中都幾乎沒什麼變化，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。對於這種變化的原因，天體物理學家有各種理論，主要認為這和吸積盤的不穩定有關。周圍的氣體物質圍繞黑洞運動形成吸積盤，黑洞通過它吸收物質並輻射電磁波，因此吸積盤的不穩定使我們觀測到了類星體在可見光波段產生的光變(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線圖一樣毫無規律5和節奏感。

但是，類星體有可能存在一種特別的、有規律的光變：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軌道運動的影響，這對雙黑洞吸收物質的速率就會發生相應的變化——反映在光變曲線里，便會呈現出周期性的光變。

為什麼我們認為會有雙黑洞存在?

這要從宇宙學和星系的演化說起：根據當今的宇宙學模型，小尺度的結構率先形成，於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，以及與其他星系併合，漸漸成長為大型的星系——就好比一個小公司通過僱用員工，以及與其他公司合併，成為了一個大公司。星系的這種併合現象在宇宙各階段和各處都有發生，我們已經見到了許多處於不同併合階段的星系。

當兩個星系併合時，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，廣義相對論預測，這對互相繞轉的黑洞會輻射引力波(gravitational wave)，而引力波開始在這個距離內取代其他過程，主導它們的軌道運動，加速併合，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(比如使用斯隆數字巡天SDSS的數據)，尋找其中被認為與雙黑洞有關的特徵。至於引力波影響距離之內的雙黑洞，更是無法從望遠鏡圖像上辨認。而我們的團隊採用的則是一種新的方法——在夜空中一定的面積內展開系統性的搜尋，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，位於美國夏威夷的茂伊島(Maui)上，名為Pan-STARRS，全稱Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System。(充滿想像力的天文學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年多的時間裡，對它望遠鏡全部視野里的小範圍夜空，每一季度像拍攝電影一樣有計劃、有規律地重複觀測，由此得到成千上萬個天體的光變曲線。

在7平方度大小(大約相當於大拇指在一臂遠處的視覺大小)的天區里，對上百顆類星體進行搜尋之後，我們發現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。(天文學家的想像力有時也會枯竭，因此對於為數眾多以至於幾乎數不清楚的天體，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量之和，大約是太陽的100億倍。我們還驚訝地發現，如果它確實是理論預測中的雙黑洞，那麼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恆星比鄰星間距的1/200，近到足以令兩者的運動受到引力波主導，甚至可能處在快速併合的過程當中——如果情況屬實的話，這兩個黑洞會在大約21年後相撞!

這是目前發現的間距最近的雙黑洞候選者，也是一個潛在的引力波源。我們公布這一發現的論文，於4月14日在《天體物理學雜誌通訊》(The Astrophysical Journal Letters)上發表。我們所在的學院，即美國馬里蘭大學計算機、數學及自然科學學院，為此發布了新聞稿，還引起了來自《自然》、《美國國家地理》的科學記者的興趣。

下一代的大型地基望遠鏡——大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope)已經開始建造，預計2023年前後啟用。它的威力將是泛星的上千倍，在項目計劃運轉的10年時間裡，將產生數以萬計天體的光變曲線。科學家也開始利用遍布世界被稱為脈衝星計時陣(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在空間中可能引起的廣義相對論效應。科學家還設計建造了地面實驗設備，例如激光干涉引力波觀測台(LIGO)，試圖直接探測引力波。

或許不久，我們會發現更多類似於PSO J334.2028+01.4075的雙黑洞候選者，甚至直接觀測到來自黑洞併合的引力波信號。畢竟，就算是在我們作為人類的壽命當中，區區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，該怎麼破?

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