如何證明超大質量黑洞的存在？

無論是研究雨林還是外太空，對自然的觀察往往會帶來意想不到的結果和新的謎團。在20世紀50年代，當射電天文學剛開始發展的時候，我們並不知道它會導致這樣的發現：包括我們自己的銀河系在內的星系的中心似乎都存在巨大得可怕的黑洞——質量是太陽的數百萬到數十億倍。

幾十年後，我們仍然無法證明這些被稱為超大質量黑洞的怪物確實存在。但最近發表於《皇家天文學會月報》的新研究或許會幫助我們在某一天做到這一點。

如何證明黑洞確實存在？

早期的射電天文學家發現，一些星系會發射射電波（一種電磁輻射）。他們知道星系有時會發生碰撞和合併，因而自然想知道這是否與射電輻射有關。然而，數年間更好的觀察駁斥了這一觀點。

他們還發現，射電波是以狹窄噴流的形式發射出來的，這意味著這種能量來自於星系核心一個很小的區域。射電波的能量確實非常巨大——通常超過星系中所有恆星的亮度總和。對於如何產生如此巨大的能量，人們提出了各種各樣的建議。直到20世紀70年代，科學家最終提出，超大質量黑洞可能是罪魁禍首。這些物體現在被稱為類星體。

理論模型估計，這些天體有著相當於一整個小星系的質量，但是所有質量都聚集在一個與地球圍繞太陽的軌道相當的空間內。然而，因為只有一些星系會產生能量爆發，所以目前還不清楚超大質量黑洞有多普遍。隨著1990年哈勃太空望遠鏡的出現，那些不發射射電爆的附近星系的核心終於可以被研究。它們也包含超大質量黑洞嗎？

結果表明，很多星系的核心確實包含超大質量黑洞。天文學家觀察到一些跡象，引力質量影響它周圍的物質而不發出任何光。就連銀河系的中心也顯示出存在一個超大質量黑洞的證據，現在被稱為人馬座A*。從此，天文學家越來越相信，超大質量黑洞是真實存在的，並且可以合理地解釋一些星系的極端能量爆發。

○ 人馬座A*和最近一次爆發形成的光的回波。| 圖片來源：NASA"s Chandra X-Ray Observatory

然而，目前還沒有確鑿的證據。儘管一些超大質量黑洞會發射出噴射物，這些噴射物卻來自於黑洞周圍，而非黑洞本身。那麼，如何證明一個完全黑暗的東西確實存在呢？

根據愛因斯坦廣義相對論的定義，黑洞是一個以事件視界（Event Horizon）為邊界的空間區域，在視界內部，甚至連光都無法逃脫。因此，對天文學家來說，這是一項相當困難的任務：他們需要看到一些並不發射任何東西的物體。

○ 黑洞的視界。| 圖片來源：Wikipedia

對於只有恆星質量的小黑洞，確實有證據表明：當兩個這樣的黑洞合併時，它們會發射引力波，這是2015年首次記錄到的空間的微小波動。這一發現證明了黑洞的存在，它們有時會成對存在，而且確實會合併。這項巨大的成功被授予了2017年諾貝爾獎。

對於普通大小的黑洞從何而來，我們也有很好的理解。一顆遠遠大於太陽質量的恆星在其生命周期結束後，留下的東西就是這些黑洞。

但是，對於超大質量黑洞，無論是其存在還是起源，都籠罩在迷霧之中。

○ 黑洞碰撞、合併，並發射引力波。| 圖片來源：LIGO

繞著彼此旋轉的黑洞

如今，有跡象表明，超大質量黑洞產生的許多射電噴射物，實際上可能是黑洞成對繞轉的結果。這些發現是通過比較黑洞所在區域觀測到的射電圖與關於星系中心的計算機模型而得到的。

第二個黑洞的存在會使第一個黑洞產生的噴流在幾十萬年的時間裡周期性地改變方向。天文學家意識到，噴流方向的周期性變化會在星系中心的射電圖上產生非常特殊的印記。

○ 噴射物將能量拋射給周圍粒子，形成瓣。| 圖片來源：Martin Krause

我們在75%的「射電星系」（發射射電波的星系）樣本中發現了這種模式的證據，這表明超大質量黑洞對是規則，而非例外。這樣的黑洞對事實上應該是在星系合併後形成的。每個星系都包含一個超大質量黑洞，由於黑洞比所有單個恆星都要重，所以它們下沉到新形成的星系中心，在那裡，它們首先形成一對緊密的黑洞，然後合併並輻射引力波。

雖然我們的觀測為超大質量黑洞成對存在提供了重要的證據，但這也並不是直接的證明。我們觀察到的仍然只是黑洞以某種方式間接造成的影響。就像普通黑洞一樣，想要充分證明超大質量黑洞對的存在，需要探測到它們發射的引力波。

目前的引力波望遠鏡只能探測到來自恆星質量黑洞的引力波。這是因為，它們環繞彼此運行的速度要快得多，這個過程產生的引力波頻率更高，我們能夠探測到。然而，下一代儀器也將能夠記錄低頻引力波——可能來自超大質量黑洞對。這將有可能最終證明超大質量黑洞的存在——在首次提出超大質量黑洞半個世紀之後。作為一名科學家，這真是激動人心的時刻。

文：Martin Krause（赫特福德大學高級講師）

原文標題為「Supermassive black holes: we』ve spotted signs of mergers that may finally help us prove they exist」，首發於2018年10月24日的The Conversation。原文鏈接：https://theconversation.com/supermassive-black-holes-weve-spotted-signs-of-mergers-that-may-finally-help-us-prove-they-exist-105438。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。

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