雅典娜和LISA將為我們揭曉：兩個超大兩黑洞相撞時，會發生什麼？
合併後的黑洞
版權：ESA
當兩個超大質量黑洞（supermassive black hole）相撞時，會發生什麼？在不久的未來，結合歐洲空間局（European Space Agency，ESA）兩個任務的觀測，雅典娜（Athena）和空間激光干涉儀（LISA），這一謎題就會揭曉，我們將能深入研究這樣的宇宙級衝突以及其神秘莫測的後續故事。
這種黑洞之所以被稱為「超大質量黑洞」，是因為它們的質量為太陽的數百萬到數十億倍，所處的位置也是宇宙中質量總和最大的那些星系中心。至今，我們都沒弄清楚這些體型和密度都巨大無比的物質是如何形成的，也不知道是什麼力量讓其中的小小的一部分，以極高的速率吞噬周圍的物質，在電磁波譜中產生大量的輻射，並將所在的宿主星系變成「活躍的星系核（galactic nucleus）」。
解決現代天體物理學中的這些開放性問題，是ESA空間科學計劃未來兩項任務的主要目標之一，這兩項任務分別是高能天體物理高級望遠鏡「雅典娜」（Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics，Athena）和空間激光干涉儀（Laser Interferometer Space Antenna ，LISA）。 兩項任務目前均處於研究階段，計劃於2030年代初期啟動。
ESA的科學主任金特?哈辛格（Günther Hasinger）表示：「雅典娜和LISA都會是出類拔萃的科學任務，將在天體物理學的許多領域取得突破。」他解釋說：「但是有一個尤其激動人心的實驗，只能在兩個任務同時運作，並運作的時間至少好幾年時才能完成：通過在X射線和引力波中觀察超大質量黑洞的合併，為宏大的『宇宙電影』完成配音。」
金特對這兩項任務非常看好：「憑藉這一獨特的機會，我們將對宇宙最迷人的現象之一進行前無古人的觀察，雅典娜與LISA之間的協同合作，將大大提高兩個任務的科學回報，確保歐洲在一個至關重要而新奇的研究領域的領導地位。」
探索極致宇宙的兩項任務
版權：ESA – S. Poletti
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雅典娜將成為有史以來最大的X射線天文台，以前所未有的準確性和縱深性，研究宇宙中一些溫度最高、能量最為活躍的現象。
雅典娜任務的目的是為了回答兩個基本問題：星系中心的超大質量黑洞是如何形成以及演化的；可見的「普通」物質如何與隱形的暗物質合縱連橫，形成瀰漫在整個宇宙中的纖細「宇宙網」的。
「雅典娜測量的黑洞數目將高達數十萬個，涉及的範圍從相對較近的地方到遙遠的宇宙深處，對這些黑洞周圍環境中溫度高達數百萬度的熱物質發射的X射線進行觀測。」ESA的雅典娜研究科學家馬泰奧?伊瓜納齊（Matteo Guainazzi）說道，「我們對那些最遙遠的黑洞尤其感興趣，它們誕生於宇宙形成的最初幾億年里，我們希望最終能明白它們究竟是如何形成的。」
與此同時，LISA則將成為第一個引力波（gravitational wave）空間觀測站。引力波是指時空結構的彎曲波動，由重力場極強的宇宙物質加速運動產生，以波的形式向外傳播。而一對正在合併的黑洞，就滿足產生引力波的條件。
引力波天文學的興起只有5年左右的時間，目前的探測僅限於高頻波，探測器也限制在地面上，例如美國國家科學基金會（National Science Foundation，United States）的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）和歐洲位於義大利的「室女座」干涉儀（Virgo interferometer）。這些實驗能較為精確地探測到小型黑洞的合併，它們的質量大約為太陽質量的幾倍到幾十倍。
一對正在合併的超大質量黑洞
版權：ESA
LISA將會對低頻引力波進行探測，讓現有的這些研究得到進一步擴展，例如在星系合併時，探測兩個超大質量黑洞碰撞產生的引力波。
「LISA將會是此類任務的先行者，主要探尋的就是超大質量黑洞相撞所引發的引力波。」ESA LISA研究項目的科學家保羅?麥克納馬拉（Paul McNamara）解釋說，「這是人類所知能量規模最大的事件之一，黑洞相撞釋放的能量將超過任意時間下所有靜止的宇宙能量。在宇宙任何地方，如果有兩個超大質量黑洞合併了，LISA就能觀測到這一壯觀的事件。」
LIGO和Vigro在2015年到2017年之間探測到了第一批引力波事件，均源於恆星級質量黑洞（stellar-mass black hole）；而後，在2017年的八月，另一種來源的引力波也得到了探測，那也是人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波。
相比恆星級黑洞合併不會輻射出任何形式的光，雙中子星合併產生的引力波則伴隨了電磁波譜的輻射，很容易通過大量的地球望遠鏡和空間望遠鏡觀測到。用多信使天文學（multi-messenger astronomy）的方法，將各種類型的觀測資料結合起來，科學家就能深入研究這種從未被探測過的現象。
雅典娜和LISA的強強聯合，會使我們能夠首次將多信使天文學應用在超大質量黑洞上。現有的模擬預測：不同於恆星級黑洞，超大質量黑洞的合併將同時發射出引力波和輻射射線。在相撞之時，兩個星系的高溫星際氣體被相遇的兩個黑洞攪動，從而引發了輻射的產生。
LISA和雅典娜的協同合作
版權：ESA – S. Poletti
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在兩個螺旋形黑洞最終合併的一個月前，LISA會探測它們發射出的引力波，那時，黑洞之間的距離大約有它們半徑的好幾倍。科學家預計，LISA能探測到宇宙中所有合併事件的一小部分，特別是距離我們幾十億光年的那些合併，合併產生的X射線會增強，讓雅典娜最終能觀測到。
「實際上，我們甚至都沒法知道LISA探測到的第一個信號來自哪裡，因為LISA是一個全天空的感測裝置，相比於望遠鏡，它的工作原理更像是一個麥克風。」保羅解釋道。
黑洞合併
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「但是，當黑洞旋轉著互相靠近時，它們的引力波信號幅度會得到增強；再加上衛星沿軌道的運動，LISA將能夠逐漸提高引力波源空間位置的精度，直到兩個黑洞最終合併為止。」
在合併末期的幾天前，引力波數據會將事件源的位置精確到約10平方度的天空區域，大約為滿月時月球面積的50倍。
這個範圍還是很大，但足以能夠讓雅典娜著手掃描深空，尋找這種巨大衝撞事件發出的X射線。模擬表明，兩個螺旋形黑洞會調節周圍的氣體運動，因此X射線特徵可能具有與引力波信號相當的頻率。
然後，就在黑洞最終合併前的幾個小時，LISA可以提供關於空間位置更精確的指示，基本上與雅典娜寬視場成像儀（Wide Field Imager，WFI）的視野大小相同，因此X射線觀測台可以直接指向事件源。
「在兩個黑洞合為一體之前捕捉到X射線信號將會是一個巨大的挑戰，但是我們非常有信心，能夠在合併期間和之後成功觀測到X射線。」 馬泰奧解釋說，「我們或許可以看到新X射線源的出現，甚至也許能目睹一個活躍星系核的誕生，還會有高能粒子流以接近光速的速度發射到新形成的黑洞之上和之外。」
當超大質量黑洞合併
版權：ESA – S. Poletti
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我們從未觀察到超大質量黑洞合併事件，因為到目前為止，我們並沒有能達到觀測條件的設備。首先，我們需要LISA來探測引力波，並告訴我們該往空中的哪個方向進行搜尋；然後，我們還需要雅典娜利用X射線對黑洞合併事件進行高精度觀察，看看如此浩大的碰撞會對黑洞周圍的氣體產生怎樣的影響。
我們完全可以用理論和模擬來預測事件的走向，但如果想要知道確切的答案，我們就需要這兩個宏偉任務的協同合作。
一百年前，1919年的5月29日，在日全食期間對恆星位置的觀測，給愛因斯坦廣義相對論所預測的光的引力彎曲提供了第一個經驗證據。
那次歷史性的日食開創了地球和太空中引力實驗的世紀，啟發了雅典娜和LISA等任務，以及更多更令人興奮的發現。
1919年日食的照片底片
版權：皇家天文學會（Royal Astronomical Society）
2014年，雅典娜被選為ESA宇宙視覺計劃中的第二大（L2）任務，而LISA則是2017年的第三大（L3）任務。2019年的白皮書中，雅典娜-LISA的協同研究團隊描述了兩個任務聯合執行可以進行的附加科學研究。
雅典娜由ESA主導，美國航空航天局（NASA）和日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）做出了重要貢獻。WFI由德國馬克斯普朗克外星物理研究所（Max Planck Institute for extraterrestrial Physics）領導的國際財團提供，包括多個ESA成員國以及美國。 在法國國家空間研究中心（Centre National d"Etudes Spatiales，CNES）的管理下，X射線積分視場單元（X-ray Integral Field Unit，X-IFU）由法國、荷蘭和義大利領導的國際財團提供，此外還包括幾個ESA成員國、日本和美國。
LISA由ESA主導，NASA做出了重要貢獻。 LISA背後的財團由德國馬克斯普朗克引力物理研究所（Max Planck Institute for Gravitational Physics）領導，還包括多個ESA成員國和美國。
參考：
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/A_unique_experiment_to_explore_black_holes
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