天文学的浪漫（天文界的浪漫故事:两个人的故事）

在浩瀚的宇宙中，黑洞并不是唯一的。目前发现的黑洞中，有的质量比太阳大十亿以上，即使是最小的黑洞，质量也是太阳的三倍以上。那么这个量级的黑洞如果在宇宙中相遇会是什么样子呢？

物理学家认为黑洞合并时会产生引力波，这一点在艺术家绘制的这张概念图中也有所体现。

据悉，天文学上也可以发生一个经典的浪漫故事:两个黑洞相遇，立即相互吸引。他们围着对方跳舞，越来越近，直到& hellip& hellip

直到什么？就像任何一个爱情故事，在这个阶段，都会出现问题。

爱因斯坦的广义相对论首次提出了黑洞的预言。黑洞就像时空的无底洞，就像引力之井。任何东西都逃不掉，甚至光。小黑洞的质量只有太阳的几倍，像地雷一样静静地躺在宇宙的每个角落。超大质量黑洞占据了每个星系的核心位置，就像吸尘器一样，把周围所有的物体都吸了进去。这些巨大的黑洞是太阳质量的几亿倍。天文学家认为它们是由一系列星系合并而成的。在宇宙早期，可能有几十个甚至上百个星系聚集在一起，形成了现在的局面。

& ldquo根据我们对宇宙结构形成过程的理解，小星系会合并成大星系，大星系会合并成更大的星系。& rdquo美国俄亥俄州奥柏林学院物理学家罗伯特&米德多特；罗伯特·欧文解释道。每一次合并都需要几亿年甚至更长的时间，所以我们无法直接观察这个过程。但是理论家可以通过计算机模拟再现整个合并过程。

这就是问题所在。当物理学家进行模拟时，两个合并星系中心的黑洞被卡住了。黑洞很少正面碰撞。由于它们相遇时路径不同，由于角动量守恒，它们会相互靠近旋转。两个黑洞在彼此引力的吸引下，会越走越近，直到只差1秒差距(秒差距:天文单位，约3光年)，但它们就像害羞的恋人，不愿意再靠近。

为什么会这样？欧文打了个比方:把你的手想象成黑洞之一。把你的手放入一桶水中，让水旋转，就像合并的银河物质一样。起初，水会阻碍手的运动，迫使它慢下来。在太空中，这种引力作用被称为动态摩擦，它会降低一个黑洞的角动量，使其逐渐向另一个黑洞移动。但过一会儿，水就会和你的手同方向旋转，所以对你的手的阻力就会减小。在模拟星系合并的过程中，恒星和其他天体也会根据两个黑洞的旋转方向改变运动路径。此时动摩擦力逐渐减小，两个黑洞稳定在新的轨道上，不会改变位置。

如果物理学家正确理解宇宙的形成过程，这样的黑洞对最终应该会相互碰撞，合二为一。但要实现这一点，它们必须设法减去足够的能量，才能继续相互靠近，越过最后一个秒差距。一旦两个黑洞靠得很近(仅相隔几十亿公里，约0.001秒差距)，根据广义相对论，剩余的角动量会随着引力波的增大而逐渐消失，将两个黑洞推在一起。这个过程可能需要几个小时、几天甚至几年，这取决于黑洞的质量。

这背后的驱动力是什么& ldquo致命的拥抱。然后呢。这就是所谓的& ldquo最后1秒差距问题& rdquo。回答这个问题不仅是为了满足我们的好奇心，也是为了改变我们对宇宙结构形成过程和引力本质的认识。因此，在物理学家模拟黑洞运行的同时，天文学家也在观测夜空，试图寻找黑洞的解决方案& ldquo最后1秒差距问题& rdquo线索& mdash& mdash如果它们真的能被解决。

在过去的30年里，天文学家发现了数百个拥有两个超大质量黑洞的星系，这些黑洞处于不同的合并阶段。但即使& ldquo最近& rdquo一对黑洞彼此相隔数千秒差距。& ldquo找到比这更近的黑洞要困难得多。& rdquo加州理工学院计算科学家Matthew & middot马修·格雷厄姆指出。即使是地球上最大的望远镜也达不到这么高的分辨率。

因此，格雷厄姆和他的同事们决定采取间接路线，利用闪烁的类星体光进行观测。脉冲星是巨大古老星系内部极其明亮的部分。当物质围绕星系中心的超大质量黑洞旋转时，会逐渐积累成盘状结构。这个圆盘的角动量会把它的一部分质量转化成辐射，使星系发出耀眼的光芒。因为气体和尘埃非相干地落入盘内，类星体的光会相应地发生变化。

但在2013年底，科学家发现了一个独特的类星体。格雷厄姆和他的同事使用了& ldquo卡特琳娜实时瞬态调查& rdquo过去10年收集的数据找到了一个奇怪的信号源，有一个可预测的变化规律。这颗类星体被命名为PG 1302-102，距离地球约35亿光年。它似乎会点亮，然后稳定地变暗，每隔五年半重复一次，就像有人在慢慢操纵亮度控制开关。

天文学家在合并过程中发现了一些星系对，比如图中的NGC 4676。

是什么造成了这种循环？格雷厄姆说:& ldquo我们提出了四五种不同的物理解释。& rdquo例如，另一个超大质量黑洞的运行可能会周期性地改变类星体的辐射方向，也可能会扭曲尘埃盘中的旋转物质，从而周期性地改变其亮度。这些解释都有一个共同点:只有当类星体PG 1302-102中心的黑洞确实由两个黑洞组成时，才有意义。

格雷厄姆和他的同事估计，如果类星体PG 1302-102的中心存在双黑洞系统，它们之间的距离可能只有0.01秒差距。哥伦比亚大学的另一项研究提出了一个更小的猜测，只有0.001秒差距，大约是太阳系的直径。在这个水平上，两个黑洞应该已经在& ldquo脱衣服& rdquo(我起飞的其实是引力波)，差点没扑到对方怀里。只要研究人员读出的PG 1302-102信号是正确的，那么无论是哪种情况，都可以说明同一个问题:大自然已经解决了& ldquo最后1秒差距问题& rdquo。

格雷厄姆和他的同事在卡特琳娜项目的数据库中发现了100多个类星体，它们可能包含双黑洞，两个黑洞之间的距离远小于1秒差距。如果这些猜测得到证实，科学家们将能够分析这个& ldquo合并剧& rdquo神秘的最后一章来了一次& ldquo一瞥& rdquo。

然而，为了找出两个相距非常近的黑洞是如何离开稳定轨道并最终合并的，我们可能需要以一种新的方式来看待宇宙。& ldquo我们现在只是用电磁波探测。& rdquo欧文描述了科学家如何使用传统望远镜寻找双黑洞系统。理论上，黑洞合并释放的能量应该相当于超新星爆发的1亿倍，但这些能量都是以引力波的形式存在，而不是光。& ldquo我们应该学会使用& lsquo眼睛& rsquo转到& lsquo聆听& rsquo这就像是通过鼓面的震动来判断鼓的声音，而不是通过鼓的声音。& rdquo

通过引力波观察黑洞的合并，可以让情况清晰很多。& ldquo星系中心发出的光往往会被气体和尘埃云吸收、重新发射或散射，从而导致我们看到的昏暗扭曲的景象。& rdquo加州理工学院和Max & middot普朗克射电天文研究所的天体物理学家Chiara & middotChiara Mingarelli解释说另一方面，引力波不受气体和尘埃的影响，可以直接穿过。& rdquo

然而，探测引力波并不容易。引力波天文学仍处于初级阶段，即使是像LIGO这样的顶级天文台也不够敏感，无法检测到天文学家怀疑两个黑洞系统合并时的缓慢振荡的引力波。

因此，研究人员决定采取不同的方法，利用大自然提供的资源。望远镜& rdquo& mdash& mdash用于探测的毫秒脉冲星。这个天体是恒星爆炸后留下的。人类遗骸& rdquo，密度极高，不停的转。就像海上的浮标一样，它们定期向地球发送原子钟精度的无线电波。当遥远星系中的两个黑洞穿越最后一个秒差距时，引力波会干扰这些毫秒脉冲星的信号。因此，天文学家通过观测银河系中几十颗毫秒脉冲星的信号变化，就可以判断它们是否受到引力波的影响。

这些无线电波的频谱特征将提供一系列重要数据，帮助物理学家测试或改进黑洞合并模型。威斯康辛大学密尔沃基分校的研究生约瑟夫&米多特；约瑟夫·西蒙指出:& ldquo要了解两个黑洞穿过最后一个秒差距时发生了什么，找出终极& lsquo幕后& rsquo脉冲星计时阵列是我们唯一可用的工具。& rdquo

即使没有探测到引力波，也可以作为重要线索。西蒙指出，经过近十年的计时，脉冲星计时阵列的灵敏度& ldquo最后达到了足够高的水平，即使什么都没检测到，也能透露出一些重要的信息。& rdquo到目前为止，这些测时阵列一无所获，这表明理论家可能对黑洞穿越最后一个秒差距后的体验有一些误解。黑洞的部分能量可能不会以引力波的形式耗散，而是通过与邻近恒星和气体的某种未知相互作用而耗散。也许黑洞会把离自己很近的恒星扔得很远，或者黑洞的引力会扭曲周围的尘埃气体盘。如果物理学家能够理解能量耗散的机制，他们也许能够解释黑洞是如何穿过最后一个秒差距的。

物理学家的仔细计算将会给他们一个检验爱因斯坦预言的机会。正如欧文所说的:当我们谈到广义相对论的时候，似乎已经得到了彻底的验证。& rdquo但科学家从未在黑洞合并等极端重力事件中检验过这一理论。这样的事件与牛顿的物理定律相去甚远，我们熟悉的能量、动量、质量等概念也失去了原本的意义。如果黑洞合并发出的引力波确实比广义相对论预测的要弱，可能是时候做一些修改了。

了解黑洞& ldquo爱情故事& rdquo最终目的是更好地了解地球，搞清楚我们所处的引力波环境是什么& ldquo汪洋大海& rdquo，或者a & ldquo涓涓细流& rdquo。欧文指出:& ldquo这其实是两个完全不同的& lsquo时空海洋& rsquo一个风平浪静，一个波涛汹涌。& rdquo