超大質量雙黑洞并合模擬圖 NASA

超大質量雙黑洞在演化最后階段的并合，究竟會是一種怎樣的結果，目前還存在爭議。有的理論認為，兩個黑洞會像兩個人面對面貼近跳舞一樣，雖然距離很近，但始終無法合二為一；有的理論則認為，當兩個黑洞越靠越近，隨著引力波輻射散失掉大量能量，最終會無限貼近直至并合。

安濤 中國科學院上海天文臺研究員

當兩個超大質量黑洞逐漸靠近，并最終并合后，會發生什么？這個此前無人能夠確切回答的問題，或許將在未來3年內得到答案。

不久前，中國科學技術大學蔣凝博士領銜的國際研究團隊發現了一個疑似將在未來3年內完成并合的超大質量雙黑洞系統。如果這一發現得到證實，它將極有可能成為人類完整觀測到的第一例超大質量雙黑洞并合事件，為檢驗黑洞演化和引力波理論提供最佳研究對象。

近日，在這一發現的基礎上，一個由中國科學院上海天文臺研究員安濤牽頭的研究團隊利用甚長基線干涉測量技術對這個超大質量雙黑洞系統進行了首次高分辨率成像觀測，研究了其并合前的射電結構和輻射狀態，對今后對比研究雙黑洞并合前后的輻射和動力學特征提供了重要參考。

“看不見”的超大質量雙黑洞并合

當一顆質量是太陽幾倍甚至幾十倍的恒星走到生命盡頭時，往往會以黑洞的形式終結一生。而雙黑洞，顧名思義，便是由兩個因引力作用相互吸引、繞轉的黑洞組成的系統。隨著時間的推移，這兩個黑洞會像陀螺一樣，不斷旋轉著向彼此靠近，最終發生雙黑洞并合事件，并釋放出引力波。

按照質量劃分，黑洞可以大致分為3類，即恒星級質量黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。就算是最小的恒星級質量黑洞，其質量也是太陽的數倍乃至數十倍。而超大質量黑洞，其質量則會在太陽的百萬倍到百億倍之間。根據現有的觀測數據，科學家認為，大質量星系中心普遍存在著超大質量黑洞。比如不久前剛剛公布首張照片的銀河系中心的超大質量黑洞Sgr A＊，其質量便達到了太陽的400萬倍。安濤表示：“銀河系在茫茫宇宙中并不算大，有的星系質量比銀河系大幾千倍甚至上萬倍，因此這些星系中心的黑洞質量也會更大。”

超大質量黑洞是否也會發生雙黑洞并合？答案是肯定的。在等級成團星系宇宙學演化框架下，兩個星系之間的并合必然會產生超大質量雙黑洞。安濤向科技日報記者介紹，超大質量雙黑洞在演化最后階段的并合，究竟會是一種怎樣的結果，目前還存在爭議。有的理論認為，兩個黑洞會像兩個人面對面貼近跳舞一樣，雖然距離很近，但始終無法合二為一，此時二者之間的最小間距將達到約1秒差距（1秒差距約等于3.26光年）；還有的理論則認為，當兩個黑洞越靠越近，隨著引力波輻射散失掉大量能量，最終會無限貼近直至并合，此時二者之間的間距約為毫秒差距，即0.001倍光年。但無論如何，雙黑洞并合時二者間“親密無間”的距離，都讓直接觀測超大質量雙黑洞并合成為難題。“當兩個黑洞之間距離過近時，就遠遠超出了望遠鏡的分辨率極限，無法直接觀測成像，甚至分不清楚是一個黑洞還是兩個黑洞。”安濤向記者解釋道。

另辟蹊徑克服直接成像困難

雖然沒有辦法用望遠鏡對超大質量雙黑洞并合直接進行成像觀測，但這不代表科學家沒有其他手段探查其奧秘。

通常人們看到的黑洞圖像，黑洞周圍往往存在著一圈發光物質，那是被黑洞吸引而來的氣體、碎片等，天文學中稱之為吸積盤。在穩定狀態下的黑洞，其吸積盤通常也呈現出相對穩定的狀態。但是一旦當兩個超大質量黑洞逐漸開始旋轉、靠近，并形成雙黑洞系統時，其相互繞轉會造成吸積盤及其周圍氣體云團的亮度發生變化。而這一變化便可被光學和X射線望遠鏡敏銳地察覺到。在此基礎上，結合近年來飛速發展的時域天文學，天文學家便能夠以時間為序列，對亮度變化的時間特征進行分析，得到所謂的光變曲線，從而對雙黑洞的某些物理性質進行深入研究。

一個引力束縛的雙黑洞系統，由于軌道繞轉，其光變曲線會呈現周期性特征。這樣的超大質量雙黑洞候選體，天文學家已經發現了很多，但它們沒有一個表現出臨近并合的特征。但天文學家并沒有因此放棄，在不久前，蔣凝領銜的國際研究團隊在近鄰宇宙中發現了一個奇特的活動星系核，它的光變曲線呈現出周期衰減的震蕩，在過去3年里，這一周期從一年逐漸減小到3個月。不僅如此，其光變的振幅也在逐漸減小，再結合其他觀測特征和模型擬合預測的結果，該團隊認為，這極有可能是一個將在3年內完成并合的超大質量雙黑洞系統。人類終于有可能第一次“目睹”到超大質量雙黑洞并合過程。

為了證實這個史無前例的猜想，蔣凝領銜的研究團隊以及國際上的多個團隊正在開展后續的多波段觀測，其中射電波段跟蹤觀測是重要的一部分。由于該候選體的射電輻射極其微弱，只有借助擁有極高分辨率和靈敏度的射電望遠鏡陣列才能對其進行進一步觀測。

于是，在獲知這一發現后，安濤及其團隊立即使用甚長基線干涉測量技術對該候選體進行了觀測研究。簡單來講，甚長基線干涉測量技術是將幾臺獨立的射電望遠鏡，通過組合形成一個大型射電望遠鏡陣列。而這臺組合而成的“巨大望遠鏡”，其分辨率會隨著望遠鏡之間距離增大而逐漸提高，即望遠鏡之間相距越遠，分辨率越高。據安濤介紹，一般而言，望遠鏡之間的距離過遠，會導致彼此間的信號傳輸不穩定，給后期的信號合成造成困難。但甚長基線干涉測量技術能夠將每個望遠鏡觀測到的數據進行獨立記錄，并匯總到一個數據中心進行分析，后期再利用特殊手段將各個望遠鏡的數據對齊合成，使得望遠鏡即使分布于全球各大洲，也不必擔心受到信號傳輸距離的影響。

對雙黑洞系統的研究才剛剛開始

蔣凝及安濤團隊的一系列研究只是一個起點。超大質量雙黑洞并合會產生什么結果？沒有人敢下定論。釋放引力波當然是最有可能的結果之一。但是不同于質量較低的雙黑洞并合所引發的引力波，超大質量雙黑洞并合所產生的引力波頻率不在地面引力波探測器——激光干涉引力波天文臺的探測范圍內。不過，科學家也并非毫無辦法，對于百萬倍太陽質量的超大質量雙黑洞并合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，我國的“天琴”“太極”和歐洲LISA項目等未來空間低頻引力波探測器都可以對其進行探測。但對于幾億到幾十億倍太陽質量的超大質量雙黑洞并合產生的引力波，其頻率更低，往往在納赫茲到微赫茲之間，只能通過脈沖星計時陣列進行探測。

在安濤看來，他們的研究才剛剛開始，“我們的第一輪觀測主要是為以后的研究提供最初的基準和參照。”在接下來的幾年內，研究團隊將持續對這個雙黑洞系統進行射電譜和甚長基線干涉測量技術成像觀測，為跟蹤超大質量雙黑洞并合前最后時刻的活動性提供關鍵的觀測信息，以及與并合后的射電觀測相比較，以期能夠完整了解超大質量雙黑洞并合全過程。而蔣凝與安濤也都在得出相關結果后，不約而同地在第一時間將結果與國際天文界的同行們進行了分享，希望國際天文學家共同加入，來進一步研究和檢驗這個非同尋常的發現。安濤說：“這個候選體的發現和研究，對于進一步理解黑洞和星系演化非常重要，我們把結果分享出去，大家一起去努力探索，無論誰有了后續結果，都是人類探索宇宙未知的進步。”

都 芃