每個黑洞質量都是太陽質量的8億多倍，隨著這兩個超大質量黑洞在死亡螺旋中逐漸靠近，它們將開始在時空中發(fā)出漣漪般的引力波。這些宇宙波紋將加入到其他超大質量黑洞引力波的背景噪聲中。

即使在命中注定的碰撞發(fā)生之前，這對超大質量黑洞發(fā)出的引力波也會使之前由小得多的黑洞和中子星合并，所探測到的引力波相形見絀。紐約熨鐵龍研究所計算天體物理中心的副研究員、發(fā)現者之一Chiara Mingarelli說：超大質量黑洞雙星產生的引力波是宇宙中最大。

來自超大質量黑洞對的引力波，比LIGO探測到的引力波大一百萬倍。這項研究由普林斯頓大學(Princeton University)副研究員安迪·古爾丁(Andy Goulding)牽頭。來自普林斯頓大學和華盛頓特區(qū)美國海軍研究實驗室的古爾丁、明加雷利及其合作者這一發(fā)現發(fā)表在2019年7月10日的《天體物理學》(Astrophysical Journal Letters)上。這兩個超大質量黑洞特別有趣，因為它們距離地球約25億光年。

由于在天文學中觀察遙遠的物體就像回顧時間一樣，這對黑洞屬于一個比我們周圍宇宙年輕25億年的宇宙。巧合的是，天文學家估計黑洞開始產生強大引力波所需的時間大致相同。在今天的宇宙中，黑洞已經在發(fā)射這些引力波，但即使以光速傳播，這些波也要幾十億年才能到達我們這里。不過，這兩個黑洞仍然很有用。雙星黑洞的發(fā)現可以幫助科學家估計有多少附近的超大質量黑洞正在發(fā)射引力波，我們現在就可以探測到。

探測引力波背景將有助于解決天文學中一些最大的未知問題，比如星系融合的頻率，超大質量黑洞對是否會完全融合，或者陷入近乎無休止的繞對方旋轉。研究合著者、普林斯頓大學天體物理學教授珍妮·格林(Jenny Greene)說：我們不知道超大質量黑洞是否會合并，這對天文學來說是一個重大的尷尬，對于研究黑洞物理學的每個人來說，從觀測上看，這是一個我們需要解決的長期難題，超大質量黑洞包含數百萬甚至數十億個太陽的質量。

幾乎所有的星系，包括銀河系，其核心都至少有一個龐然大物。當星系合并時，超大質量黑洞相遇并開始相互環(huán)繞。隨著時間的推移，當氣體和恒星穿過黑洞并竊取能量時，這個軌道就會變小。然而，一旦超大質量黑洞足夠靠近，這種能量盜竊就幾乎停止了。一些理論研究表明，黑洞之間的距離約為約3.2光年。這種放緩幾乎無限期地持續(xù)下去，被稱為秒差距的最后一個問題。在這種情況下，只有由三個或更多超大質量黑洞組成的非常罕見群體才會導致合并。

天文學家不能僅僅尋找停滯的對偶，因為早在黑洞相距1秒差距之前，它們就太近了，無法作為兩個獨立的物體來區(qū)分。此外，只有當它們克服了最終的1秒差距障礙并靠得更近時，它們才會產生強大的引力波（在25億光年外觀測到這些新發(fā)現的超大質量黑洞，相隔約430秒差距）。如果秒差距的最后一個問題不存在，那么天文學家預計宇宙中充滿了來自超大質量黑洞對的引力波。這種噪音被稱為引力波背景，有點像蟋蟀在夜晚發(fā)出的嘈雜聲，無法分辨一只蟋蟀和另一只蟋蟀，但噪音的大小可以幫助估計有多少只蟋蟀。

當兩個超大質量黑洞最終相撞并結合時，它們發(fā)出的轟鳴聲讓其他所有黑洞相形見絀。不過，這樣的事件很短暫，而且極其罕見，所以科學家們預計近期內不會發(fā)現。超大質量黑洞對產生的引力波超出了LIGO和Virgo等實驗目前可觀測到的頻率。相反，引力波獵人依靠的是一組叫做脈沖星的特殊恒星，它們的作用類似于節(jié)拍器?？焖傩D的恒星以穩(wěn)定節(jié)奏發(fā)出無線電波。如果一個經過的引力波拉伸或壓縮了地球和脈沖星之間的空間，節(jié)奏就會稍微被打亂。

使用這些脈沖星定時陣列中的一個來探測引力波背景需要耐心和大量被監(jiān)測的恒星。一個脈沖星的節(jié)奏在十年內可能只會被打亂幾百納秒。背景噪聲越大，定時干擾越大，第一次檢測就越快。古爾丁、格林和團隊中的其他觀測天文學家用哈勃太空望遠鏡探測到了這兩個超大質量黑洞。雖然超大質量黑洞無法通過光學望遠鏡直接觀測到，但它們被明亮的恒星團和強大引力吸引而來的溫暖氣體所包圍。在歷史上的某個時期，隱藏著新發(fā)現超大質量黑洞對的星系“基本上是宇宙中最明亮的星系”。

更重要的是，星系核心正在噴出兩股異常巨大的氣體柱。在研究人員將哈勃太空望遠鏡對準星系以揭示其壯觀氣體云的起源之后，發(fā)現星系中包含的不是一個而是兩個巨大黑洞。隨后，觀測學家與引力波物理學家明加雷利和普林斯頓大學研究生克里斯·帕爾多合作，在引力波背景下解釋了這一發(fā)現。這一發(fā)現為估算有多少超大質量黑洞對在地球探測距離之內提供了一個定位點。

之前的估計是基于星系融合計算機模型，而不是對超大質量黑洞對的實際觀測。根據這些發(fā)現，帕爾多和明加雷利預測，在樂觀的情況下，銀河系附近大約有112個超大質量黑洞在發(fā)射引力波。因此，對超大質量黑洞引力波背景的首次探測應該在未來五年左右內完成。如果不進行這樣的檢測，這將證明秒差距的最終問題可能無法解決。該團隊目前正在觀察其他類似于隱藏著新發(fā)現的超大質量黑洞對星系，找到更多配對將有助于進一步完善預測。

博科園｜研究/來自：西蒙斯基金會

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab2a14

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