近日，天文學家在7.5億光年外的一個射電星系，用射電望遠鏡觀測到兩顆互相繞轉的超大質量黑洞。為此，黑洞研究專家、國家天文臺研究員茍利軍化身好奇君與礪珺，為大家深入解讀超大質量雙黑洞的方方面面。好奇君 ：你聽說了嗎，天文學家第一次“看”到了兩顆黑洞互相繞轉的情景。國家天文臺礪珺：你說的是美國國家射電天文臺6月27日發布的新聞公報吧。借助射電望遠鏡陣，美國天文學家觀測到7.5億光年外兩個超大質量黑洞互相繞轉。這確實是人類首次觀測到雙黑洞作為獨立的天體跳起“雙人舞”。這兩顆黑洞彼此相距僅24光年，總質量達到太陽的150億倍。初步計算結果顯示，它們互繞一圈需3萬年。其實，天文學家早在1995年就發現了這兩個黑洞所在星系，之后多次利用甚長基線射電望遠鏡陣（VLBA）進行了觀測，于2006年發現了其中包含的超大質量雙黑洞，而最近又進一步得到了這個雙黑洞系統的繞轉速度。VLBA望遠鏡推斷出兩個黑洞相隔大約24光年。對于兩個超大質量黑洞而言，這真的是很近！至此，天文學家把這兩顆黑洞的“三圍”，也就是黑洞到地球的距離、黑洞的質量以及黑洞相互的繞轉速度都了解清楚了。好奇君：不過探測到雙黑洞系統似乎不稀奇，LIGO不是確認探測到三起雙黑洞并合事件，另外還有多起疑似雙黑洞并合事件嗎？國家天文臺礪珺：LIGO目前已經探測到的雙黑洞系統都是恒星量級的，也就是體重不到太陽一百倍的黑洞，比如第一次引力波所探測到的雙黑洞質量分別為36和29倍的太陽。和這次看到的“大胖子”黑洞體重相差太遠。好奇君：據說我們的銀河系中，存在著上千萬個恒星量級的黑洞。那超大質量黑洞有多少呢？國家天文臺礪珺：是的，銀河系可能有很多小黑洞。但到目前為止，我們只在銀河系中確認了二十個左右黑洞的存在，此外還有四五十個黑洞候選體。對于質量較小的恒星量級雙黑洞，在地面引力波探測器直接探測它之前，科學家們并不確定它們是否存在。對于超大質量雙黑洞的認識就完全不同了。天文學家們早已經知道它們的存在，并且為尋找它們已經努力了很長時間。當代的天文學觀測告訴我們，幾乎每一個星系的中心都會包含一個超大質量黑洞。也就是說，宇宙中有多少星系，就有多少超大質量黑洞。根據哈勃望遠鏡的最新觀測，我們宇宙中有上萬億個星系，所以我們可以想象宇宙中黑洞的數目差不多也這么多。按照目前流行的宇宙結構形成和星系等級演化理論，我們所看到的大型星系都是小星系逐漸合并形成的。比如，我們銀河系和臨近的仙女座星系，因為相互之間的引力作用，估計再過大約40億年，它們會碰撞到一起并且最終合并。可以想象，兩個星系在形成新星系的同時，原來星系中心的黑洞也會聚集到新星系的中心，形成一個雙黑洞系統而最終合并。這個過程中，會產生引力波，被太空引力波探測器探測到。最近，歐空局在多年的徘徊后決定批準太空激光干涉儀（LISA）計劃，目標之一便是在太空探測超大質量雙黑洞所產生的引力波。好奇君：早在20世紀90年代，美國航空航天局和歐空局就決定合作推進LISA任務，但其推進一波三折。是什么力量讓歐空局重新考慮并批準了一個擱置如此長時間的探測計劃？國家天文臺礪珺：歐空局歷時二十多年終于批準LISA任務，一方面是LIGO在2015年9月直接探測到了引力波，歐空局看到了引力波探測的可能性和其中所包含的科學價值，另一方面則歸因于探測技術的進步。相較于地面探測器LIGO，太空探測引力波無疑有著眾多的優勢，拋開所謂的太空無額外地面振動因素的影響之外，更大的優勢在于激光干涉臂長的長度。受地球表面彎曲的影響，地面探測器的管道不可能做得非常長，第三代的地面探測器的物理臂長有可能達到40公里，不過那已經是接近于地面直線管道的極限。在LISA最初提出之時，一度計劃500萬公里，后來因為美國的退出，整個項目的臂長縮水變成了100萬公里。而就在今年年初，美國又重新回歸到了LISA項目當中，所以最新的項目計劃是250萬公里。為了探測引力波，臂長所能保持的精度是至關重要的一項技術。就在美國探測到第一例引力波之后不久，2015年的12月份，歐空局發射了LISA探路者探測器，用來測試包括距離精度在內的部分技術的可行性。結果發現最終的測試結果超好，遠遠超過預期。這無疑為LISA的順利通過評估增加了很大的砝碼。好奇君：但LISA最早要在2034年才能發射升空。要發現超大質量雙黑洞，難道人類目前能做的只有等待嗎？國家天文臺礪珺：對于超大質量雙黑洞而言，如果星系中心存在著大量氣體，那么黑洞會通過吸積氣體產生較強的電磁輻射，天文學中稱這種現象為活動星系核或者類星體。宇宙中有大約百分之十的星系會表現出這樣的特征。對于那些超大質量雙黑洞系統而言，如果兩個黑洞都有吸積現象的話，那么兩個黑洞就有可能產生相對應的電磁輻射，從而產生可區分的觀測效應。而且因為超大質量黑洞的吸積過程會產生全波段的電磁輻射，這就為雙黑洞的探測提供了眾多可能性。自上個世紀八十年代，天文學家們已經在試圖利用各種不同的電磁手段去尋找這樣的系統。在X射線波段，如果在星系的中心能夠觀測到兩個不同的X射線源的話，那么在一定程度上就可以推斷雙黑洞的存在，不過因為X射線的分辨率較差，所以如果能夠分辨出兩個X射線點源的話，那么兩個黑洞通常也是分隔很遠的。比如在著名的NGC6240星系中，就看到了中心有兩個X射線源的存在，彼此距離大約幾千光年。在光學波段，因為每一個吸積盤都會產生寬的特征發射線，但因兩個黑洞在彼此相互繞轉，所以在多普勒效應的影響下，會在此類系統的觀測光譜中產生一個雙峰結構，并且此雙峰結構呈現出周期性的變化。過去的十多年當中，天文學家已經發現了一些候選體，但至今尚未確認任何一例。在射電波段，天文學家利用了類似X射線波段的探測方式，直接尋找星系中心有無兩個黑洞的射電輻射。不過射電波段有非常成熟的干涉技術，具有目前最高精度的空間分辨率，因此憑借射電技術有可能可以找到相隔很近的那些雙黑洞系統。就像這次測量繞轉速度的超大質量雙黑洞系統，就是在射電波段觀測的。好奇君：探測超大質量雙黑洞的手段這么多，是不是隨著技術進步，很快就能發現更多“大胖子”雙黑洞？國家天文臺礪珺：目前在電磁波段還是進展緩慢，因為我們探測黑洞，都是利用黑洞周圍的電磁輻射，而黑洞附近會有很多其他氣體的電磁輻射干擾，從而使得超大質量雙黑洞的探測面臨很多的不確定性。相比之下，對于特定的觀測頻段，能擾動時空并且產生很強引力波的天體源是非常稀少的。因此，隨著LISA探測器的發射升空，這一局面將會得到極大的改善。引力波作為一種全新的探測方式，也將為天文學家提供獨特的有關于超大質量黑洞的視角。未來無論是通過何種方式，發現更多超大質量雙黑洞，都將為我們帶來宇宙中新的驚奇。曾經擔任LIGO項目經理的蓋瑞·桑德斯在去年訪問中國的講演中說道：“每一次我們用一種全新的方式看宇宙，我們都會看到一個全新的宇宙。”（作者系國家天文臺研究員、中國科學院大學教授）編輯：p_xiaojtan

天文學家釋疑：發現超大質量雙黑洞有多少種辦法

圖文簡介

近日，天文學家在7.5億光年外的一個射電星系，用射電望遠鏡觀測到兩顆互相繞轉的超大質量黑洞。為此，黑洞研究專家、國家天文臺研究員茍利軍化身好奇君與礪珺，為...