黑洞的死亡雙人舞

張馳

幾十億年之后，如果人類(lèi)還在，那么那時(shí)的人類(lèi)將有幸目睹一大天文奇觀——銀河系與仙女座星系的相撞。

根據(jù)科學(xué)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(dòng)的場(chǎng)面。最終兩個(gè)星系完全融合，變成一個(gè)更大的星系（相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參看我刊2007年第12期A《當(dāng)銀河撞到仙女》）。那么合并時(shí)，這兩個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞相遇時(shí)會(huì)怎么樣呢？根據(jù)我們的常識(shí)，星系中心的黑洞引力極大，能夠吞噬周邊一定范圍內(nèi)的所有物質(zhì)，即使是光也無(wú)法逃脫。這樣看來(lái)，兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞相遇時(shí)，勢(shì)必會(huì)“張開(kāi)血盆大嘴”互相吞噬，快速完成合并。

但事實(shí)果真如此嗎？研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，超大質(zhì)量黑洞遇到超大質(zhì)量黑洞時(shí)，場(chǎng)面不會(huì)那么“血腥”，反而可以說(shuō)有那么一點(diǎn)浪漫。

浪漫的黑洞雙人舞

在一些歌舞劇中經(jīng)常有這樣的景象：兩個(gè)一見(jiàn)鐘情的人，被對(duì)方莫名吸引，他們開(kāi)始跳起表達(dá)兩個(gè)人心中愛(ài)意的舞蹈，然后兩個(gè)人越來(lái)越近……兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞相遇時(shí)，景象也類(lèi)似，它們會(huì)被對(duì)方吸引，相互環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。

科學(xué)家的模擬顯示，當(dāng)兩個(gè)星系合并時(shí)，它們中心的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞彼此圍繞靠近對(duì)方，然后被對(duì)方的引力捕獲，兩者之間形成了聯(lián)系，它們就像被對(duì)方吸引的兩個(gè)人，不分離。按照這樣的發(fā)展，兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞應(yīng)該會(huì)很快合并，但是讓人出乎意料的是，當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞之間達(dá)到一定距離——大約3光年（1秒差距）時(shí)，它們雖然仍繞著對(duì)方旋轉(zhuǎn)，但是卻變得害羞起來(lái)，就像互相愛(ài)慕，但都不肯先表白的兩個(gè)人，始終保持距離。為什么超大質(zhì)量黑洞合并的過(guò)程中會(huì)有這樣的插曲呢？

事實(shí)上，在兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞相互靠近的過(guò)程中，黑洞會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到氣體和恒星之間，從而使自身?yè)p失能量。這個(gè)作用的結(jié)果就是使黑洞的軌道發(fā)生變化，通過(guò)不斷的能量轉(zhuǎn)移一步步靠近。但是當(dāng)兩個(gè)黑洞的距離達(dá)到1秒差距時(shí)，它們之間剩余的物質(zhì)已經(jīng)很少，它們不能再通過(guò)向周?chē)奈镔|(zhì)轉(zhuǎn)移能量，來(lái)改變自己的軌道。而兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞要想再繼續(xù)向?qū)Ψ娇拷?，那么就只能默默地旋轉(zhuǎn)，慢慢消耗自己的能量，逐漸接近彼此，最終合并在一起。而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這樣的過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)超過(guò)當(dāng)前宇宙的年齡。

但在現(xiàn)實(shí)中，的確存在超大質(zhì)量黑洞合并現(xiàn)象。這就像兩個(gè)互相愛(ài)慕的人，不管過(guò)了多長(zhǎng)時(shí)間，經(jīng)歷了多少困難，最終還是會(huì)有情人終成眷屬一樣。那么，超大質(zhì)量黑洞究竟最后怎么克服困難，合并在一起的？這個(gè)問(wèn)題就是長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的“最后秒差距問(wèn)題”。

不過(guò)，對(duì)于恒星級(jí)黑洞來(lái)說(shuō)，合并可能要簡(jiǎn)單得多，不會(huì)被最后秒差距問(wèn)題所困。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量的恒星引力坍縮而成的，它們的質(zhì)量幾倍到幾十倍于太陽(yáng)質(zhì)量不等。相比于星系中心百萬(wàn)倍甚至百億倍于太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，恒星級(jí)黑洞就是小不點(diǎn)。恒星級(jí)黑洞合并通常發(fā)生在由雙星系統(tǒng)演化而來(lái)的雙黑洞系統(tǒng)。只要最初兩顆恒星的位置比較相近，那么演化為雙黑洞系統(tǒng)后，兩顆黑洞就有機(jī)會(huì)在不太長(zhǎng)的時(shí)間里發(fā)生合并。

解決最后秒差距的關(guān)鍵

在過(guò)去30年里，科學(xué)家已經(jīng)收集了數(shù)百個(gè)星系中心超大質(zhì)量黑洞合并的照片，這些超大質(zhì)量黑洞屬于合并的不同階段，但是即使是最“親密”的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們的距離也不小于幾千秒差距。科學(xué)家們之所以不能觀測(cè)到更靠近的超大質(zhì)量黑洞，是因?yàn)楝F(xiàn)在的觀測(cè)設(shè)備還不夠強(qiáng)大，還無(wú)法解析出兩個(gè)靠得更近的超大質(zhì)量黑洞。

那是不是說(shuō)最后秒差距問(wèn)題就不能解決了呢？科學(xué)家說(shuō)：不是！根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞靠得非常近時(shí)——幾百億千米（約0.001秒差距）時(shí)，它們會(huì)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，最后兩個(gè)黑洞會(huì)在能量大爆發(fā)中完成合并，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波信號(hào)。

既然超大質(zhì)量黑洞的合并會(huì)產(chǎn)生巨大的引力波，那么我們只要關(guān)注正在合并的超大質(zhì)量黑洞方向是否有引力波信號(hào)，以及引力波的變化，那不就有可能研究出它們?cè)趺春喜⒌?，并解決最后秒差距問(wèn)題了嗎？但問(wèn)題是，現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡根本“不認(rèn)識(shí)”引力波，因?yàn)樘胀h(yuǎn)鏡只能“看到”輻射，而引力波則需要“聽(tīng)”。

那么，有什么方法可以讓我們“聆聽(tīng)”到超大質(zhì)量黑洞合并時(shí)制造的引力波嗎？

“聆聽(tīng)”引力波的方法

為了“聆聽(tīng)”到引力波，科學(xué)家想了很多辦法，其中就包括在地球上建專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)引力波的探測(cè)器，比如位于美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（即LIGO），這個(gè)天文臺(tái)由兩個(gè)引力波探測(cè)器組成，是目前世界上靈敏度最高的引力波探測(cè)器。而在2015年9月，LIGO就首次直接捕捉到了引力波信號(hào)，但這次的引力波是兩個(gè)恒星級(jí)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的（相關(guān)內(nèi)容可參閱我刊2016年04A《發(fā)現(xiàn)引力波：愛(ài)因斯坦又對(duì)了》）。事實(shí)上，LIGO只能檢測(cè)到恒星級(jí)黑洞合并。因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞的合并，產(chǎn)生的引力波頻率較低，為10-3赫茲左右，低于LIGO的檢測(cè)范圍（1赫茲～10萬(wàn)赫茲）。要想檢測(cè)到超大質(zhì)量黑洞的合并，必須建造更大的引力波探測(cè)器。目前還在設(shè)計(jì)中的“激光干涉太空引力波天線(xiàn)”（LISA）的檢測(cè)頻率更低一些，為10-5赫茲～1赫茲，有機(jī)會(huì)檢測(cè)到超大質(zhì)量黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波。

除了LISA以外，科學(xué)家想到了借助自然界中的“望遠(yuǎn)鏡”——毫秒脈沖星。毫秒脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的恒星“尸體”，和普通的脈沖星一樣，它們發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波也能周期性地掃過(guò)地球，但不同的是，毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期更短，每秒旋轉(zhuǎn)上百次，所以它們所發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波能在非常短的時(shí)間內(nèi)按照非常固定的周期掃過(guò)地球。這就意味著，毫秒脈沖星這個(gè)天然的望遠(yuǎn)鏡可能比人類(lèi)的引力波探測(cè)器更加靈敏，如果引力波對(duì)脈沖星的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)產(chǎn)生了干擾，那么科學(xué)家們是很有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)的。而幾個(gè)或者幾十個(gè)毫秒脈沖星組成的脈沖星計(jì)時(shí)陣列則更加靈敏，最低能檢測(cè)到納赫茲級(jí)頻率的引力波。并且與單個(gè)毫秒脈沖星相比，毫秒脈沖星陣列就像一張大網(wǎng)，捕捉到引力波的幾率更大。

利用這些方法，科學(xué)們有可能發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞合并時(shí)制造的引力波，獲得關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，從而在計(jì)算機(jī)上更準(zhǔn)確地模擬超大質(zhì)量黑洞合并最后1秒差距內(nèi)的情況。

合并的超大質(zhì)量黑洞在哪里？

既然科學(xué)家已經(jīng)知道怎么找到引力波了，那么去哪兒找即將合并的超大質(zhì)量黑洞呢？

閃爍的類(lèi)星體是不錯(cuò)的選擇。類(lèi)星體是大型的古老星系核，星系核的中心則是超大質(zhì)量黑洞。其中心的超大質(zhì)量黑洞擁有強(qiáng)大的引力，周?chē)奈镔|(zhì)會(huì)被吸引，聚集在黑洞周?chē)D(zhuǎn)，形成一個(gè)圓形的吸積盤(pán)，而黑洞在吞噬物質(zhì)時(shí)，會(huì)加熱吸積盤(pán)上的物質(zhì)，發(fā)出強(qiáng)光，因此類(lèi)星體很明亮。但是黑洞周?chē)臍怏w和塵埃不是均勻、穩(wěn)定地流向吸積盤(pán)，因此類(lèi)星體所發(fā)出的光通常也是不規(guī)律的，有時(shí)更亮一些，有時(shí)則暗一些。然而如果類(lèi)星體中有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，那么第二個(gè)黑洞的旋轉(zhuǎn)就會(huì)對(duì)類(lèi)星體物質(zhì)盤(pán)產(chǎn)生影響，使類(lèi)星體發(fā)出的光變得有規(guī)律。

這樣擁有兩個(gè)黑洞的類(lèi)星體是可能存在的。2013年，科學(xué)家就觀測(cè)到了一個(gè)奇特的類(lèi)星體，它的編號(hào)為“PG 1302-102”，距離地球約35億光年，它的特別之處在于它正在有規(guī)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(kāi)關(guān)。這與普通的類(lèi)星體不同，科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)類(lèi)星體中有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，而且它們正處于合并的過(guò)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，這大約等于太陽(yáng)系的直徑。預(yù)計(jì)這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞將在100萬(wàn)年之內(nèi)完成合并。屆時(shí)，兩個(gè)相互環(huán)繞、急速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞會(huì)在宇宙中掀起漣漪，釋放引力波，科學(xué)家們有可能可以檢測(cè)到。

讓人欣慰的是，擁有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的類(lèi)星體不在少數(shù)。迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)確定了100多個(gè)可能含有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的類(lèi)星體，這些超大質(zhì)量黑洞之間的距離可能都在最后秒差距的范圍內(nèi)。這些候選者或許可以讓科學(xué)家們窺探到超大質(zhì)量黑洞合并的最后時(shí)刻。

這樣看來(lái)，科學(xué)家要了解超大質(zhì)量黑洞合并最后時(shí)刻的細(xì)節(jié)，只是時(shí)間問(wèn)題。而從解決此問(wèn)題的意義上來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們并不只是為了看兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞合并的最后階段是什么情況，最重要的是科學(xué)家希望通過(guò)超大質(zhì)量黑洞的合并及其所釋放的引力波，了解宇宙結(jié)構(gòu)的形成，以及引力的本質(zhì)，這才是科學(xué)家不斷搜尋天空，試圖窺探超大質(zhì)量黑洞合并最后時(shí)刻的主要原因。