黑洞的“死亡雙人舞”

幾十億年之後,如果人類還在,那麼那時的人類將有幸目睹一大天文奇觀——銀河係與仙女座星系的相撞。

根據科學家的模擬顯示,我們可能看不到天體相撞的火光四射、烈焰橫飛的景象,倒是更有可能看到夜空中星星快速移動的場面。最終兩個星系完全融合,變成一個更大的星系(相關內容請參看我刊2007年第12期A《當銀河撞到仙女》)。那麼合併時,這兩個星系中心的超大質量黑洞相遇時會怎麼樣呢?根據我們的常識,星系中心的黑洞引力極大,能夠吞噬周邊一定範圍內的所有物質,即使是光也無法逃脫。這樣看來,兩個超大質量黑洞相遇時,勢必會“張開血盆大嘴”互相吞噬,快速完成合併。

但事實果真如此嗎?研究人員通過計算機模擬發現,超大質量黑洞遇到超大質量黑洞時,場面不會那麼“血腥”,反而可以說有那麼一點浪漫。

浪漫的黑洞雙人舞

在一些歌舞劇中經常有這樣的景象:兩個一見鍾情的人,被對方莫名吸引,他們開始跳起表達兩個人心中愛意的舞蹈,然後兩個人越來越近……兩個超大質量黑洞相遇時,景像也類似,它們會被對方吸引,相互環繞運動。

科學家的模擬顯示,當兩個星系合併時,它們中心的兩個超大質量黑洞彼此圍繞靠近對方,然後被對方的引力捕獲,兩者之間形成了聯繫,它們就像被對方吸引的兩個人,不分離。按照這樣的發展,兩個超大質量黑洞應該會很快合併,但是讓人出乎意料的是,當兩個超大質量黑洞之間達到一定距離——大約3光年(1秒差距)時,它們雖然仍繞著對方旋轉,但是卻變得害羞起來,就像互相愛慕,但都不肯先表白的兩個人,始終保持距離。為什麼超大質量黑洞合併的過程中會有這樣的插曲呢?

事實上,在兩個超大質量黑洞相互靠近的過程中,黑洞會將能量轉移到氣體和恆星之間,從而使自身損失能量。這個作用的結果就是使黑洞的軌道發生變化,通過不斷的能量轉移一步步靠近。但是當兩個黑洞的距離達到1秒差距時,它們之間剩餘的物質已經很少,它們不能再通過向周圍的物質轉移能量,來改變自己的軌道。而兩個超大質量黑洞要想再繼續向對方靠近,那麼就只能默默地旋轉,慢慢消耗自己的能量,逐漸接近彼此,最終合併在一起。而科學家們發現,這樣的過程所耗費的時間可能會超過當前宇宙的年齡。

但在現實中,的確存在超大質量黑洞合併現象。這就像兩個互相愛慕的人,不管過了多長時間,經歷了多少困難,最終還是會有情人終成眷屬一樣。那麼,超大質量黑洞究竟最後怎麼克服困難,合併在一起的?這個問題就是長期困擾科學家的“最後秒差距問題”。

不過,對於恆星級黑洞來說,合併可能要簡單得多,不會被最後秒差距問題所困。恆星級黑洞是由大質量的恆星引力坍縮而成的,它們的質量幾倍到幾十倍於太陽質量不等。相比於星系中心百萬倍甚至百億倍於太陽質量的超大質量黑洞,恆星級黑洞就是小不點。恆星級黑洞合併通常發生在由雙星系統演化而來的雙黑洞系統。只要最初兩顆恆星的位置比較相近,那麼演化為雙黑洞系統後,兩顆黑洞就有機會在不太長的時間裡發生合併。

解決最後秒差距的關鍵

在過去30年裡,科學家已經收集了數百個星系中心超大質量黑洞合併的照片,這些超大質量黑洞屬於合併的不同階段,但是即使是最“親密”的兩個超大質量黑洞,它們的距離也不小於幾千秒差距。科學家們之所以不能觀測到更靠近的超大質量黑洞,是因為現在的觀測設備還不夠強大,還無法解析出兩個靠得更近的超大質量黑洞。

那是不是說最後秒差距問題就不能解決了呢?科學家說:不是!根據廣義相對論,當兩個超大質量黑洞靠得非常近時——幾百億千米(約0.001秒差距)時,它們會拋掉大量的能量,這些能量大部分以引力波的形式被釋放到宇宙中,最後兩個黑洞會在能量大爆發中完成合併,此時會產生強烈的引力波信號。

既然超大質量黑洞的合併會產生巨大的引力波,那麼我們只要關注正在合併的超大質量黑洞方向是否有引力波信號,以及引力波的變化,那不就有可能研究出它們怎麼合併的,並解決最後秒差距問題了嗎?但問題是,現在的望遠鏡根本“不認識”引力波,因為太空望遠鏡只能“看到”輻射,而引力波則需要“聽”。

那麼,有什麼方法可以讓我們“聆聽”到超大質量黑洞合併時製造的引力波嗎?

“聆聽”引力波的方法

為了“聆聽”到引力波,科學家想了很多辦法,其中就包括在地球上建專門用於檢測引力波的探測器,比如位於美國的激光干涉引力波天文台(即LIGO),這個天文台由兩個引力波探測器組成,是目前世界上靈敏度最高的引力波探測器。而在2015年9月,LIGO就首次直接捕捉到了引力波信號,但這次的引力波是兩個恆星級黑洞合併時產生的(相關內容可參閱我刊2016年04A《發現引力波:愛因斯坦又對了》)。事實上,LIGO只能檢測到恆星級黑洞合併。因為超大質量黑洞的合併,產生的引力波頻率較低,為10-3赫茲左右,低於LIGO的檢測範圍(1赫茲~10萬赫茲)。要想檢測到超大質量黑洞的合併,必須建造更大的引力波探測器。目前還在設計中的“激光干涉太空引力波天線”(LISA)的檢測頻率更低一些,為10-5赫茲~1赫茲,有機會檢測到超大質量黑洞合併時產生的引力波。

除了LISA以外,科學家想到了借助自然界中的“望遠鏡”——毫秒脈衝星。毫秒脈衝星是高速旋轉的恆星“屍體”,和普通的脈衝星一樣,它們發出的無線電波也能週期性地掃過地球,但不同的是,毫秒脈衝星的自轉週期更短,每秒旋轉上百次,所以它們所發出的無線電波能在非常短的時間內按照非常固定的周期掃過地球。這就意味著,毫秒脈衝星這個天然的望遠鏡可能比人類的引力波探測器更加靈敏,如果引力波對脈衝星的無線電信號產生了乾擾,那麼科學家們是很有可能會發現的。而幾個或者幾十個毫秒脈衝星組成的脈衝星計時陣列則更加靈敏,最低能檢測到納赫茲級頻率的引力波。並且與單個毫秒脈衝星相比,毫秒脈衝星陣列就像一張大網,捕捉到引力波的機率更大。

利用這些方法,科學們有可能發現超大質量黑洞合併時製造的引力波,獲得關鍵性的數據,從而在計算機上更準確地模擬超大質量黑洞合併最後1秒差距內的情況。

合併的超大質量黑洞在哪裡?

既然科學家已經知道怎麼找到引力波了,那麼去哪兒找即將合併的超大質量黑洞呢?

閃爍的類星體是不錯的選擇。類星體是大型的古老星系核,星系核的中心則是超大質量黑洞。其中心的超大質量黑洞擁有強大的引力,周圍的物質會被吸引,聚集在黑洞周圍旋轉,形成一個圓形的吸積盤,而黑洞在吞噬物質時,會加熱吸積盤上的物質,發出強光,因此類星體很明亮。但是黑洞周圍的氣體和塵埃不是均勻、穩定地流向吸積盤,因此類星體所發出的光通常也是不規律的,有時更亮一些,有時則暗一些。然而如果類星體中有兩個超大質量黑洞,那麼第二個黑洞的旋轉就會對類星體物質盤產生影響,使類星體發出的光變得有規律。

這樣擁有兩個黑洞的類星體是可能存在的。2013年,科學家就觀測到了一個奇特的類星體,它的編號為“PG 1302-102”,距離地球約35億光年,它的特別之處在於它正在有規律地變亮——每5年亮度就增大一次,就好像有人在周期性地切換燈的開關。這與普通的類星體不同,科學家認為,這個類星體中有兩個超大質量黑洞,而且它們正處於合併的過程中,它們的距離可能只有0.01秒差距,甚至可能是0.001秒差距,這大約等於太陽系的直徑。預計這兩個超大質量黑洞將在100萬年之內完成合併。屆時,兩個相互環繞、急速旋轉的超大質量黑洞會在宇宙中掀起漣漪,釋放引力波,科學家們有可能可以檢測到。

讓人欣慰的是,擁有兩個超大質量黑洞的類星體不在少數。迄今為止,科學家已經確定了100多個可能含有兩個超大質量黑洞的類星體,這些超大質量黑洞之間的距離可能都在最後秒差距的範圍內。這些候選者或許可以讓科學家們窺探到超大質量黑洞合併的最後時刻。

這樣看來,科學家要了解超大質量黑洞合併最後時刻的細節,只是時間問題。而從解決此問題的意義上來說,科學家們並不只是為了看兩個超大質量黑洞合併的最後階段是什麼情況,最重要的是科學家希望通過超大質量黑洞的合併及其所釋放的引力波,了解宇宙結構的形成,以及引力的本質,這才是科學家不斷搜尋天空,試圖窺探超大質量黑洞合併最後時刻的主要原因。

小貼士:
秒差距:
秒差距是天文學中使用的距離單位。主要用來量度太陽系外天體間的距離。1秒差距等於3.26164光年,也等於206265天文單位,還等於30.8568萬億千米。

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