四十多億年前，一對黑洞上演了一場戲劇性的舞蹈。在氣體和塵埃的漩渦中，這兩個空洞螺旋式地越靠越近，危險地圍繞著一個超大質量黑洞執行。然後，這兩個較小的黑洞合併成一次如此強大的碰撞，以至於震動了空間本身的結構。當由此產生的引力波向地球傳播時，合併後的黑洞像火箭一樣反衝，加熱了周圍的氣體，併產生了一道持續數週的耀眼閃光。
這個情景在一篇2020年6月發表在《物理評論快報》上的論文中提出。研究人員確切知道的是，在2019年5月21日，他們探測到兩個黑洞碰撞發出的引力波。在隨後的幾周裡，一道奇怪的閃光從天空的同一區域出現。如果閃光確實來自黑洞，那麼這將是科學家首次看到黑洞合併後發出的光芒。
“我震驚了，”紐約市立大學皇后區社群學院的助理教授吉利安·貝洛瓦里說，她沒有參與這項工作。“這個想法太棒了。它令人驚歎。”如果得到證實，這一發現為新興的多信使天文學領域提供了一個新的方向。透過引力波和電磁輻射研究黑洞及其周圍環境，科學家們有望比單獨使用任何一種訊號學到更多。
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長期以來，科學家們一直在爭論，除了引力波之外，雙黑洞合併是否會引發閃光。大多數研究人員都認為，在真空中碰撞的黑洞不會產生光。但是，一個活動星系核，其中超大質量黑洞的引力將氣體和塵埃吸入巨大的吸積盤中，將為產生閃光提供完美的條件。“這是一種製造黑洞合併的全新方式，”紐約市熨斗研究所計算天體物理中心研究天體的基亞拉·明加雷利說，她沒有參與這項研究。
考慮到這種可能性，研究人員轉向了茲威基瞬變探測器（ZTF）。該設施位於加利福尼亞州帕洛馬山天文臺，每三個晚上拍攝整個北半球天空的照片，可以發現亮度的任何突然變化。該團隊梳理了ZTF資料，尋找來自活動星系核的光芒，這些活動星系核靠近雷射干涉引力波天文臺（LIGO）先前探測到的黑洞合併事件。幾乎在所有情況下，科學家們都一無所獲。但在2019年5月合併事件之後，天空同一區域的一個活動星系核的亮度增加了一倍。研究人員評估了他們能想到的所有可能的閃光源，並得出結論，最可能的來源是合併後的黑洞。
儘管如此，他們警告說，他們不能確定他們的解釋是正確的。儘管一些科學家熱情高漲，但其他專家對研究人員的結論持高度懷疑態度。“我就是不明白他們怎麼會用那種解釋來寫論文，”理論物理學家、哈佛大學黑洞倡議組織的創始主任阿維·勒布說。“這毫無意義。”
合併之謎
去年夏天的公告並不是天文學家第一次認為他們看到了合併黑洞發出的光芒。2015年，費米伽馬射線太空望遠鏡探測到來自與LIGO探測到的第一個黑洞合併事件相同區域的微弱伽馬射線爆發。該訊號引發了一連串的猜測和相互競爭的解釋。此後不久，勒布提出，這對黑洞是在一顆恆星內部合併的，然後這顆恆星提供了發射光線所需的氣體。研究界對此仍然不相信。許多科學家最終承認，伽馬射線爆發很可能是一個僥倖事件——來自某個與黑洞合併完全無關的獨立背景物體的發射。
勒布仍然認為，在合適的條件下，合併黑洞可能會引發閃光。“但我對這種閃光是[合併]黑洞吸積的結果的說法有很大的疑問，”他說。天文物體的亮度通常有一個上限，稱為愛丁頓光度。在某些情況下，這個極限可以超過數千倍。然而，在研究中提出的情景中，合併後的黑洞的光度約為愛丁頓值的10萬倍。“這是聞所未聞的，”勒布說。
茲威基瞬變探測器的專案科學家、新論文的主要作者馬修·格雷厄姆承認，如此大的光度將是前所未有的。但根據目前的知識，“這並非不現實。這並非超出可能性的範圍，”他說。儘管對活動星系核中雙黑洞的複雜相互作用進行可靠的計算機模擬尚不可行，但從過去的模擬中外推，格雷厄姆的團隊確信他們對資料的解釋是最合理的。
“理性的人可能會對此持有異議，但我們可以進行討論，”該論文的合著者、紐約市立大學曼哈頓社群學院的天體物理學家巴里·麥克爾南說。如果閃光不是來自合併黑洞，它可能來自“非常非常不尋常的超新星，”該研究的合著者、同樣來自曼哈頓社群學院的K. E.薩維克·福特說。另一種可能的來源是活動星系核的自然變異性，已知其亮度會隨時間變化。勒布懷疑是前一種情況，而哥倫比亞大學的佐爾坦·海曼則傾向於後一種情況。鑑於閃光的強度和時間，這兩種解釋對於福特和麥克爾南來說似乎都極不可能——儘管並非不可能。
與2015年的伽馬射線爆發不同，新的閃光使研究人員能夠做出預測，這些預測很快將得到檢驗。根據他們的模型，至少有一個合併前的黑洞在快速旋轉。“為了使我們的情景有任何意義，這是我們必須具備的條件，”麥克爾南說。該團隊還估計合併後的黑洞的質量約為太陽質量的100倍。LIGO對引力波資料的完整分析將支援或駁斥這兩種說法。此外，當合並後的黑洞繞超大質量黑洞執行時，它最終將重新進入吸積盤，引發另一次從地球上可見的閃光。該團隊預計這種情況將在夏季的某個時候發生。
“我最興奮的是這個具體的預測，”LIGO團隊分析該事件引力波的成員卡捷琳娜·查齊伊安努說。“我正在等待看看事情會如何發展。”如果第二次閃光如預測的那樣發生，它將開啟活動星系核研究的新時代。
紫外線更新
除了黑洞本身的特性外，來自合併黑洞的閃光還可以揭示活動星系核中吸積盤的特性。從第一次閃光來看，格雷厄姆的團隊估計了氣體的密度和圓盤的厚度——這是僅憑引力波資料無法進行的計算。未來的閃光可能會提供關於活動星系核成分的其他線索，福特說，“這些對於我們理解宇宙中星系是如何形成的至關重要。”
但為了使多信使天文學蓬勃發展，天文學家必須更新他們的工具。儘管ZTF在可見光譜中探測到了閃光，但福特表示，來自其他黑洞合併的閃光在紫外線波長中更容易被發現。由於地球大氣層吸收了大部分紫外線，使其無法到達地面天文臺，因此科學家必須求助於太空望遠鏡。格雷厄姆說，美國宇航局的尼爾·格雷爾斯雨燕天文臺是最佳候選者，但並非完美之選：雨燕最初旨在研究伽馬射線爆發。而且它的視場比ZTF望遠鏡小得多。
天空中散佈著少數其他對紫外線敏感的太空望遠鏡。然而，沒有一個是尋找引力波之後的光閃光的理想選擇。“長期以來，天文學界一直有點忽視紫外線，”紐約市立大學的貝洛瓦里說。“老實說，這是一個問題。”她和其他人希望新的研究將促使開發出具有大視場的紫外線望遠鏡。“擁有合適的衛星將花費大量資金，但我肯定會主張我們花這筆錢，”福特說。
目前，科學家們正在等待LIGO的結果和預測的第二次閃光。麻省理工學院的天體物理學家艾琳·卡拉發現黑洞合併理論“很誘人”。然而，在沒有更多證據的情況下，她還不準備慶祝。“大自然會產生各種各樣的瘋狂事物，我們無法解釋，”卡拉說。“很可能我們只是不夠有創造力，無法思考所有可能導致這些閃光的事物。”