8月10日消息，據(jù)國外媒體報道，天文界也可以發(fā)生經(jīng)典的浪漫故事：兩個黑洞相遇了，彼此之間立即產(chǎn)生了吸引力。它們圍著對方跳起舞來，越轉越近，直到……
▲物理學家認為黑洞合并時會產(chǎn)生引力波，這在這張藝術家繪制的概念圖中也有所體現(xiàn)。
直到什么？就像任何愛情故事一樣，一到了這個階段，問題便會應運而生。
愛因斯坦的廣義相對論最先提出了對黑洞的預測。黑洞就像時空中的無底洞，像一口引力之井。任何事物都無法從中逃脫，就連光線也不例外。小型黑洞的質(zhì)量只有太陽的幾倍，像地雷一樣靜靜埋伏在宇宙的各個角落。而超大質(zhì)量黑洞則占據(jù)著各個星系的核心位置，如吸塵器一般、將周圍的物體盡數(shù)吸入。這些巨型黑洞的質(zhì)量高達太陽的數(shù)億倍。天文學家認為，它們是由一系列星系合并形成的。在宇宙早期，可能有數(shù)十個、甚至數(shù)百個星系紛紛聚集到一起，形成了如今的局面。
“根據(jù)我們對宇宙結構形成過程的認識，小星系會合并成大星系，大星系又會合并成更大的星系。”美國俄亥俄州奧柏林學院物理學家羅伯特·歐文（Robert Owen）解釋道。每次合并都要經(jīng)歷數(shù)億年、甚至更久，因此我們無法直接觀察到這一過程。但理論學家可以通過計算機模擬重現(xiàn)整個合并過程。
麻煩就出在這里。物理學家運行模擬時，兩個正在合并的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞極少會正面相撞。由于它們相遇時的路徑不同，受角動量守恒的影響，它們會旋轉著靠近對方。受彼此的引力吸引，兩個黑洞會越挨越近，直到之間僅剩1秒差距（秒差距：天文學單位，約合3光年），二者卻又像羞澀的戀人一樣，不肯再靠近一步了。
為何會這樣呢？歐文打了個比方：把你的手想象成其中一個黑洞。把手放在一桶水中，讓水旋轉起來，就像正在合并的星系物質(zhì)一樣。水一開始會阻礙手的運動，迫使手的速度減慢。在太空中，這種引力作用名叫動摩擦，會降低黑洞的角動量，導致其逐漸向另一個黑洞移動。但過了一會兒，水的旋轉方向便會與你的手保持一致了，因此手受到的阻力也會減小。而在模擬的星系合并過程中，恒星和其它天體也會根據(jù)兩個黑洞的旋轉方向改變運動路徑。此時動摩擦逐漸減小，兩個黑洞也就在新軌道上穩(wěn)定了下來，不會再改變位置。
若物理學家對宇宙的形成過程理解無誤，這樣成對的黑洞最終應當會彼此相撞、融為一體才對。但要實現(xiàn)這一點，它們必須先設法減去足夠的能量，才能繼續(xù)靠近對方、跨過最后這1秒差距。一旦兩個黑洞靠得非常近之后（僅相隔幾十億公里，約0.001秒差距），根據(jù)廣義相對論，剩下的角動量便會隨著不斷加強的引力波逐漸消失，將兩個黑洞推到一起。這一過程可能會經(jīng)歷幾小時、幾天、甚至幾年不等，具體取決于黑洞質(zhì)量有多大。
究竟是什么力量推動了這一“致命擁抱”呢？這便是所謂的“最后的1秒差距問題”。解答該問題不僅是為了滿足我們的好奇心，還可改變我們對宇宙結構形成過程的理解、以及對引力本質(zhì)的認識。因此在物理學家模擬黑洞運行的同時，天文學家也在觀察夜空，試圖找到黑洞解決“最后的1秒差距問題”的線索——假如它們真能解決的話。
在過去的30年間，天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個含有兩個超大黑洞的星系，且這些黑洞處在不同的合并階段。但即使是“最親密的”一對黑洞，彼此之間也隔了幾千秒差距?！耙业奖冗@還近的黑洞就困難得多了?！奔又堇砉W院計算科學家馬修·格雷厄姆（Matthew Graham）指出。就算是地球上最大的望遠鏡，也達不到這么高的分辨率。
因此格雷厄姆和同事們決定走一條間接路線，利用閃爍的類星體光線進行觀測。脈沖星是巨大、古老的星系極為明亮的內(nèi)核部分。物質(zhì)圍繞星系中央的超大質(zhì)量黑洞旋轉時，會逐漸累積成一個圓盤狀結構。這個圓盤的角動量會將其部分質(zhì)量轉化為輻射，使星系發(fā)出耀眼的光芒。由于氣體和塵埃落入圓盤時并不連貫，類星體的光芒也會隨之變化不定。
但2013年末，科學家卻發(fā)現(xiàn)了一個與眾不同的類星體。格雷厄姆和同事們利用“卡塔琳娜實時瞬變調(diào)查”10年來收集的數(shù)據(jù)，找到了一個奇特的信號來源，竟有著可以預測的變化規(guī)律。這個類星體名為PG 1302-102，距地球約35億光年。它似乎會穩(wěn)定地變亮、再變暗，每隔五年半便重復一次，就好像有人在慢慢操控亮度控制開關一樣。
▲天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些正處在合并過程中的成對星系，如圖中的NGC 4676。
是什么造成了這種循環(huán)呢？格雷厄姆表示：“我們提出了四五種不同的物理解釋。”比如說，另一個超大質(zhì)量黑洞的運行可能會定期改變該類星體輻射的朝向，或者可能使塵埃盤中旋轉的物質(zhì)發(fā)生扭曲，從而使其亮度發(fā)生周期性變化。這些解釋都有一點共同之處：只有當類星體PG 1302-102中央的黑洞的確由兩個黑洞構成時，才可以說得通。
距格雷厄姆和同事們估計，如果類星體PG 1302-102中央的確存在雙黑洞系統(tǒng)，兩者間隔可能只有0.01秒差距。另一項由哥倫比亞大學開展的研究甚至提出了更小的猜測，僅有0.001秒差距，約相當于太陽系的直徑。到了這種程度，兩個黑洞應當已經(jīng)在“寬衣解帶”（脫掉的其實是引力波），就差沒撲進對方懷中了。只要研究人員讀取的PG 1302-102信號無誤，那么無論是哪種情況，都能說明同一個問題：大自然已經(jīng)解決了“最后的1秒差距問題”。
格雷厄姆和同事們目前已在卡塔琳娜項目數(shù)據(jù)庫中找到了100多個可能包含雙黑洞系統(tǒng)的類星體，兩個黑洞之間的距離都遠小于1秒差距。若這些猜測得到證實，科學家便可對這場“合并大戲”神秘的最終章來一次“驚鴻一瞥”。
然而，要想弄清相隔很近的兩個黑洞是如何離開穩(wěn)定軌道、實現(xiàn)最終合并的，也許還需要我們以全新的方式看待宇宙?！拔覀儸F(xiàn)在只是借電磁波瞎試探而已?！睔W文這樣描述科學家們利用傳統(tǒng)望遠鏡尋找雙黑洞系統(tǒng)的做法。從理論上來說，黑洞合并釋放出的能量應相當于超新星爆發(fā)的1億倍，但這些能量全都以引力波、而非光線的形式存在?！拔覀円獙W會用‘眼睛’去‘聽’，就好像通過鼓面的振動判斷鼓在發(fā)聲、而不是通過鼓聲來判斷一樣?！?/p>
通過引力波觀察黑洞合并可以使情況清晰明了許多?！皬男窍抵醒氚l(fā)出的光線往往會被氣體和塵埃云吸收、重新發(fā)射、或者散射開來，導致我們看到的情景昏暗而扭曲。”加州理工學院與馬克斯·普朗克射電天文學研究所的天體物理學家基婭拉·明加雷利（Chiara Mingarelli）解釋道，“而引力波則不受氣體和塵埃影響，可以徑直穿過?！?/p>
然而，探測引力波也絕非易事。引力波天文學尚在起步階段，況且就連LIGO這樣的頂級天文臺敏感度也不夠高，無法探測到天文學家懷疑雙黑洞系統(tǒng)合并時發(fā)出的、緩慢振蕩的引力波。
因此研究人員決定換一種途徑，利用大自然提供的“望遠鏡”——毫秒脈沖星進行探測。這種天體是恒星爆炸后留下的“遺骸”，密度極高、轉個不停。它們就像海面上的浮標一樣，以原子鐘般的精確度，定期向地球發(fā)射一道射電波。當遙遠星系中的兩個黑洞正在跨越最后的1秒差距時，產(chǎn)生引力波可對這些毫秒脈沖星發(fā)出的信號造成干擾。因此通過觀察銀河系中數(shù)十個毫秒脈沖星的信號變化，天文學家便能判斷它們是否受到了引力波的影響。
這些射電波的光譜特征將提供一系列重要數(shù)據(jù)，幫助物理學家測試或完善黑洞合并模型。威斯康星大學密爾沃基分校研究生約瑟夫·西蒙（Joseph Simon）指出：“要想了解兩個黑洞在跨越最后1秒差距時究竟發(fā)生了什么，弄清這位終極‘幕后推手’的身份，脈沖星測時陣列是我們唯一可用的工具。”
而就算探測不到引力波，也可作為一條重要線索。西蒙指出，歷經(jīng)了將近十年的計時，脈沖星測時陣列的敏感度“終于達到了足夠高的水平，就算什么都沒探測到，也能透露一些重要信息?！边@些測時陣列至今一無所獲，說明理論學家對黑洞跨過最后1秒差距后經(jīng)歷的猜想可能存在誤區(qū)。黑洞的部分能量也許不會以引力波的形式發(fā)散出去，而是通過與鄰近恒星和氣體的某種未知相互作用消散掉了。也許黑洞會將接近自己的恒星遠遠甩出，或者黑洞的引力會使周圍的塵埃氣體盤發(fā)生扭轉。若物理學家能弄清這種能量消散機制，也許就能解釋黑洞是如何跨過最后這1秒差距的了。
物理學家的精心計算將使他們有機會檢驗愛因斯坦的預言。正如歐文所說：“我們談起廣義相對論時，就好像它已經(jīng)被徹底驗證了一樣?！钡茖W家還從未在黑洞合并這樣的極端引力事件中檢驗過該理論。此類事件與牛頓物理法則相去甚遠，我們熟悉的能量、動量和質(zhì)量等概念也失去了原本的意義。假如黑洞合并發(fā)出的引力波的確比廣義相對論預言的弱，也許是時候該做些修改了。
了解黑洞“愛情故事”的最終目的還是為了更好地認識地球，弄清我們所處的引力波環(huán)境究竟是一片“汪洋大?！?，還是一條“涓涓細流”。歐文指出：“這其實是兩種截然不同的‘時空海洋’，一個風平浪靜，一個波濤洶涌?！?/p>
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