科学论述—巨型黑洞.docx

两个巨型黑洞在一起
看过《星际穿越》(Interstellar)的朋友一定对电影里的超大质量黑洞(supermassive black hole)印象深刻。现在,想象一下,如果电影里的超大黑洞不只有一个,而是两个,又是怎样一幅场景?
我们的团队最近发现的,正是这样一对超大质量双黑洞,距离地球足有100多亿光年。
我们是怎么发现它的?这个故事,要从超大质量黑洞本身开始讲起。
对天文学家和天体物理学家来说,这些质量大多为太阳的上百万甚至数十亿倍的庞然大物,仍充满了未解之谜,但它们一点都不罕见。
我们目前观测到的所有大型星系的中央,都有这样的一个黑洞。比如,银河系中央就有一个名为人马座A*(Sag A*)的黑洞。
天文学家认为,这些黑洞与所在星系的形成和演化密切相关。
但大多数黑洞都并不“活跃”(Sag A*目前就不活跃)——它们处于一种相对安静的状态,默默地吸收(accrete)周围的气体物质,从而放出一些不那么耀眼的光芒。
但是,如果一个黑洞处于它的“事业巅峰”,正以极快的速度和极高的效率吞噬物质,我们就称这个黑洞是“活动”的
(active),构成了一个活动星系核(active galactic nucleus,缩写为AGN)。有些活动星系核放出的光非常明亮,甚至在100多亿光年外的地球上也可以被观测到。
当然,当一个物体距离很远很远的时候,你便看不清它的具体形状,只能看见一个亮点了。这就是类星体(quasar)这个名字的来源——它是一类离我们很远、核心又足够明亮(远远亮于它所在星系)的活动星系核,由于在望远镜的照相机看来,它和普通的星星没什么区别,最初被称为quasi-stellar object,也就是“类似恒星的天体”。
艺术家假想图:一个类星体中心的黑洞。盘状物体是黑洞的吸积盘。我们还可以看到黑洞产生的喷射流(其实是一对,图中只能看到一条),由外流物质在磁场作用下形成
尽管看上去没什么区别,类星体和普通的星星可完全不同,强大的黑洞是它的核心引擎。一颗恒星在它几百万年、几亿年,甚至更长的寿命中都几乎没什么变化,类星体却无时无刻不在变化,不管你盯着它看几分钟,还是几十年。
对于这种变化的原因,天体物理学家有各种理论,主要认为这和吸积盘的不稳定有关。周围的气体物质围绕黑洞运动形成吸积盘,黑洞通过它吸收物质并辐射电磁波,因此吸积盘的不稳定使我们观测到了类星体在可见光波段产生的光变(variability)。如果把它的光强记录下来画在Y轴,观测的时刻画在X轴,这条光变曲线(light curve)看起来就会像股市K线图一样毫无规律和节奏感。
但是,类星体有可能存在一种特别的、有规律的光变:当它中心的黑洞不是一个,而是一对时,受到两个黑洞相互绕转轨道运
动的影响,这对双黑洞吸收物质的速率就会发生相应的变化——反映在光变曲线里,便会呈现出周期性的光变。
为什么我们认为会有双黑洞存在?这要从宇宙学和星系的演化说起:根据当今的宇宙学模型,小尺度的结构率先形成,于是宇宙早期先有了小型的星系;它们通过吸收星系之间的物质,以及与其他星系并合,渐渐成长为大型的星系——就好比一个小公司通过雇用员工,以及与其他公司合并,成为了一个大公司。
星系的这种并合现象在宇宙各阶段和各处都有发生,我们已经见到了许多处于不同并合阶段的星系。
一对正处于并合过程中的星系——著名的“触须”星系
当两个星系并合时,星系中心各自的黑洞也会渐渐靠近,成为新形成的更大星系的中心。当这对黑洞的距离足够近到受到对方引力作用的影响时,我们便把它们称为双黑洞。
在一定的距离内,广义相对论预测,这对互相绕转的黑洞会辐射引力波(gravitational wave),而引力波开始在这个距离内取代其他过程,主导它们的轨道运动,加速并合,最终使两个黑洞相撞。
双黑洞在实际观测中极为少见,天文学家目前的主要研究方式是:逐个获取类星体的光谱(比如使用斯隆数字巡天SDSS的数据),寻找其中被认为与双黑洞有关的特征。至于引力波影响距离之内的双黑洞,更是无法从望远镜图像上辨认。而我们的团队采用
的则是一种新的方法——在夜空中一定的面积内展开系统性的搜寻,寻找前面所说的周期性光变的类星体。
我们用来寻找这一信号的望远镜,位于美国夏威夷的毛伊岛(Maui)上,名为Pan-STARRS,全称Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System。——充满想象力的天文学家总爱给一个项目起巨长的名字,却又有一个好听的缩写名。这个项目的缩写名译成中文,大概可以称为“泛星”。
泛星的观测项目之一,便是在长达4年多的时间里,对它望远镜全部视野里的小范围夜空,每一季度像拍摄电影一样有计划、有规律地重复观测,由此得到成千上