8月10日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，天文界也可以發(fā)生經(jīng)典的浪漫故事：兩個(gè)黑洞相遇了，彼此之間立即產(chǎn)生了吸引力。它們圍著對(duì)方跳起舞來，越轉(zhuǎn)越近，直到……
▲物理學(xué)家認(rèn)為黑洞合并時(shí)會(huì)產(chǎn)生引力波，這在這張藝術(shù)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(gè)階段，問題便會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論最先提出了對(duì)黑洞的預(yù)測(cè)。黑洞就像時(shí)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(gè)角落。而超大質(zhì)量黑洞則占據(jù)著各個(gè)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(dá)太陽的數(shù)億倍。天文學(xué)家認(rèn)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(gè)、甚至數(shù)百個(gè)星系紛紛聚集到一起，形成了如今的局面。
“根據(jù)我們對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)形成過程的認(rèn)識(shí)，小星系會(huì)合并成大星系，大星系又會(huì)合并成更大的星系?！泵绹?guó)俄亥俄州奧柏林學(xué)院物理學(xué)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(xué)家可以通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)整個(gè)合并過程。
麻煩就出在這里。物理學(xué)家運(yùn)行模擬時(shí)，兩個(gè)正在合并的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞極少會(huì)正面相撞。由于它們相遇時(shí)的路徑不同，受角動(dòng)量守恒的影響，它們會(huì)旋轉(zhuǎn)著靠近對(duì)方。受彼此的引力吸引，兩個(gè)黑洞會(huì)越挨越近，直到之間僅剩1秒差距（秒差距：天文學(xué)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(huì)這樣呢？歐文打了個(gè)比方：把你的手想象成其中一個(gè)黑洞。把手放在一桶水中，讓水旋轉(zhuǎn)起來，就像正在合并的星系物質(zhì)一樣。水一開始會(huì)阻礙手的運(yùn)動(dòng)，迫使手的速度減慢。在太空中，這種引力作用名叫動(dòng)摩擦，會(huì)降低黑洞的角動(dòng)量，導(dǎo)致其逐漸向另一個(gè)黑洞移動(dòng)。但過了一會(huì)兒，水的旋轉(zhuǎn)方向便會(huì)與你的手保持一致了，因此手受到的阻力也會(huì)減小。而在模擬的星系合并過程中，恒星和其它天體也會(huì)根據(jù)兩個(gè)黑洞的旋轉(zhuǎn)方向改變運(yùn)動(dòng)路徑。此時(shí)動(dòng)摩擦逐漸減小，兩個(gè)黑洞也就在新軌道上穩(wěn)定了下來，不會(huì)再改變位置。
若物理學(xué)家對(duì)宇宙的形成過程理解無誤，這樣成對(duì)的黑洞最終應(yīng)當(dāng)會(huì)彼此相撞、融為一體才對(duì)。但要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它們必須先設(shè)法減去足夠的能量，才能繼續(xù)靠近對(duì)方、跨過最后這1秒差距。一旦兩個(gè)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(duì)論，剩下的角動(dòng)量便會(huì)隨著不斷加強(qiáng)的引力波逐漸消失，將兩個(gè)黑洞推到一起。這一過程可能會(huì)經(jīng)歷幾小時(shí)、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(dòng)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(duì)宇宙結(jié)構(gòu)形成過程的理解、以及對(duì)引力本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。因此在物理學(xué)家模擬黑洞運(yùn)行的同時(shí)，天文學(xué)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(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)含有兩個(gè)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(duì)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。”加州理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)家馬修·格雷厄姆（Matthew Graham）指出。就算是地球上最大的望遠(yuǎn)鏡，也達(dá)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(jìn)行觀測(cè)。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(zhuǎn)時(shí)，會(huì)逐漸累積成一個(gè)圓盤狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)圓盤的角動(dòng)量會(huì)將其部分質(zhì)量轉(zhuǎn)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(shí)并不連貫，類星體的光芒也會(huì)隨之變化不定。
但2013年末，科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與眾不同的類星體。格雷厄姆和同事們利用“卡塔琳娜實(shí)時(shí)瞬變調(diào)查”10年來收集的數(shù)據(jù)，找到了一個(gè)奇特的信號(hào)來源，竟有著可以預(yù)測(cè)的變化規(guī)律。這個(gè)類星體名為PG 1302-102，距地球約35億光年。它似乎會(huì)穩(wěn)定地變亮、再變暗，每隔五年半便重復(fù)一次，就好像有人在慢慢操控亮度控制開關(guān)一樣。
▲天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些正處在合并過程中的成對(duì)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?！北热缯f，另一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的運(yùn)行可能會(huì)定期改變?cè)擃愋求w輻射的朝向，或者可能使塵埃盤中旋轉(zhuǎn)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(diǎn)共同之處：只有當(dāng)類星體PG 1302-102中央的黑洞的確由兩個(gè)黑洞構(gòu)成時(shí)，才可以說得通。
距格雷厄姆和同事們估計(jì)，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(xiàng)由哥倫比亞大學(xué)開展的研究甚至提出了更小的猜測(cè)，僅有0.001秒差距，約相當(dāng)于太陽系的直徑。到了這種程度，兩個(gè)黑洞應(yīng)當(dāng)已經(jīng)在“寬衣解帶”（脫掉的其實(shí)是引力波），就差沒撲進(jìn)對(duì)方懷中了。只要研究人員讀取的PG 1302-102信號(hào)無誤，那么無論是哪種情況，都能說明同一個(gè)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(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中找到了100多個(gè)可能包含雙黑洞系統(tǒng)的類星體，兩個(gè)黑洞之間的距離都遠(yuǎn)小于1秒差距。若這些猜測(cè)得到證實(shí)，科學(xué)家便可對(duì)這場(chǎng)“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(gè)黑洞是如何離開穩(wěn)定軌道、實(shí)現(xiàn)最終合并的，也許還需要我們以全新的方式看待宇宙。“我們現(xiàn)在只是借電磁波瞎試探而已?！睔W文這樣描述科學(xué)家們利用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)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(yīng)相當(dāng)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(xué)會(huì)用‘眼睛’去‘聽’，就好像通過鼓面的振動(dòng)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。“從星系中央發(fā)出的光線往往會(huì)被氣體和塵埃云吸收、重新發(fā)射、或者散射開來，導(dǎo)致我們看到的情景昏暗而扭曲?！奔又堇砉W(xué)院與馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所的天體物理學(xué)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。”
然而，探測(cè)引力波也絕非易事。引力波天文學(xué)尚在起步階段，況且就連LIGO這樣的頂級(jí)天文臺(tái)敏感度也不夠高，無法探測(cè)到天文學(xué)家懷疑雙黑洞系統(tǒng)合并時(shí)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(yuǎn)鏡”——毫秒脈沖星進(jìn)行探測(cè)。這種天體是恒星爆炸后留下的“遺骸”，密度極高、轉(zhuǎn)個(gè)不停。它們就像海面上的浮標(biāo)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(dāng)遙遠(yuǎn)星系中的兩個(gè)黑洞正在跨越最后的1秒差距時(shí)，產(chǎn)生引力波可對(duì)這些毫秒脈沖星發(fā)出的信號(hào)造成干擾。因此通過觀察銀河系中數(shù)十個(gè)毫秒脈沖星的信號(hào)變化，天文學(xué)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(xué)家測(cè)試或完善黑洞合并模型。威斯康星大學(xué)密爾沃基分校研究生約瑟夫·西蒙（Joseph Simon）指出：“要想了解兩個(gè)黑洞在跨越最后1秒差距時(shí)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(cè)時(shí)陣列是我們唯一可用的工具?！?/p>
而就算探測(cè)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(jì)時(shí)，脈沖星測(cè)時(shí)陣列的敏感度“終于達(dá)到了足夠高的水平，就算什么都沒探測(cè)到，也能透露一些重要信息。”這些測(cè)時(shí)陣列至今一無所獲，說明理論學(xué)家對(duì)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(huì)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(huì)將接近自己的恒星遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩出，或者黑洞的引力會(huì)使周圍的塵埃氣體盤發(fā)生扭轉(zhuǎn)。若物理學(xué)家能弄清這種能量消散機(jī)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(xué)家的精心計(jì)算將使他們有機(jī)會(huì)檢驗(yàn)愛因斯坦的預(yù)言。正如歐文所說：“我們談起廣義相對(duì)論時(shí)，就好像它已經(jīng)被徹底驗(yàn)證了一樣?！钡茖W(xué)家還從未在黑洞合并這樣的極端引力事件中檢驗(yàn)過該理論。此類事件與牛頓物理法則相去甚遠(yuǎn)，我們熟悉的能量、動(dòng)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(duì)論預(yù)言的弱，也許是時(shí)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(rèn)識(shí)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(xì)流”。歐文指出：“這其實(shí)是兩種截然不同的‘時(shí)空海洋’，一個(gè)風(fēng)平浪靜，一個(gè)波濤洶涌。”
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