我們的星系銀河系正處於碰撞的過程中。大約四十億年後，銀河系及其大型鄰近星系仙女座星系將開始螺旋式的引力舞蹈，經過數億年的合併，形成一個更大的天體。
這種星系合併在宇宙中隨時隨地都在發生，它們是更大規模宇宙結構的重要組成部分。天體物理學家對這個非凡的過程有很多疑問，但其中一個謎團尤其引人入勝：當大型星系合併時，數十年的觀測已經揭示潛伏在其中心的超大質量黑洞會發生什麼？
從邏輯上講，這些巨大的黑洞——每個都比我們的太陽重數百萬到數十億倍——也必然會碰撞和合並。這種合併可以將大量的物質匯入黑洞，引發劇烈的宇宙物理爆發，從而塑造其宿主星系中的恆星形成和其他過程。但天文學家迄今為止只看到了這個漫長過程的快照，從黑洞仍然相距數十到數百光年的時候開始。合併的黑洞越接近，就越難將它們彼此區分開來，這使得理論家們想要理解這個過程如何運作變得更加模糊。
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現在，一個國際科學家團隊宣佈，在一項發表在《天體物理學雜誌快報》上的新研究中，他們發現了兩個靠近地球的活躍超大質量黑洞。據估計，這些黑洞的質量分別為太陽質量的 1.25 億倍和 2 億倍，它們位於距離我們約 5 億光年的 UGC 4211 星系的中心，吞噬著氣體和塵埃，這個星系仍然在從合併中恢復過來。
“這對黑洞真的令人興奮，因為它們彼此如此接近，而且離我們如此之近，”該研究的作者之一、紐約市熨斗研究所和康涅狄格大學的天體物理學家基亞拉·明加雷利說。它們之間僅相隔約 750 光年或 230 秒差距，是科學家們透過測量多個波長的光所能確認的最接近的一對黑洞。這些黑洞與地球和彼此的接近程度可能為研究巨型黑洞合併的基本原理提供獨特的機會，以及研究其最難以捉摸的副產品之一：時空中的漣漪，稱為引力波。
該專案始於近 10 年前，當時天體物理學家邁克爾·科斯開始使用世界上最大的望遠鏡在天空中搜索“活躍”的超大質量黑洞對——即那些正在吞噬物質並噴射出強烈輻射的黑洞對。在檢查了近 100 個天體後，他發現了 6 個實際上是隱藏的合併對。其中，UGC 4211 的一對顯得比其他所有對都更接近。
“你可以看到它。我的意思是，字面上，你可以在[影像]上看到有兩個源，”在加利福尼亞州尤里卡科學研究所工作的科斯說。高解析度在一定程度上是可能的，因為 UGC 4211 離地球很近。
哥倫比亞大學的天文學家佐爾坦·海曼說，這篇論文“真正突破了”觀測的極限，他沒有參與這項研究。天文學家之前曾用射電望遠鏡觀測到一對更接近的雙黑洞。在這項新研究中，該團隊使用來自多個不同望遠鏡的多波長資料證實了他們的發現——明加雷利說，這是一個重要的步驟，因為該領域過去曾出現過誤報。“你只能在有限的波長範圍內欺騙眼睛，”她說。該團隊使用位於夏威夷的 W. M. 凱克天文臺、位於智利的甚大望遠鏡和阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列，以及環繞地球執行的哈勃太空望遠鏡對該系統進行了研究。
UGC 4211 的兩個黑洞被認為正處於合併的中途。隨著它們擴充套件的宇宙二重奏的進行，這對黑洞將進一步靠近，因為周圍的恆星和氣體群會吸走它們的軌道動量。作者預測，這場舞蹈將在大約 2 億年後結束，屆時這兩個超大質量黑洞最終將完全合併成一個。
“這似乎與我們的許多正規化完全一致，所以這是一件好事。它沒有打破天體物理學，”美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家傑里米·施尼特曼說，他沒有參與最近的研究。
至少，目前情況是這樣。關於怪物般的黑洞合併的機制，尤其是在後期階段，當黑洞彼此非常接近以至於無法清楚區分時，仍然有很多未知之處。“一旦它們比現在更接近，達到秒差距或更小的距離，會發生什麼仍然是一個非常大的問題，”西弗吉尼亞大學的天文學家莎拉·伯克-斯波拉爾說，她沒有參與新的研究結果。
與她的許多同行一樣，伯克-斯波拉爾對每次合併的最後階段特別著迷，那時黑洞會以如此劇烈的方式螺旋式地結合在一起，以至於它們會撼動時空本身的結構，產生大量的引力波。在 2015 年首次探測到這種排放後——這一發現獲得了諾貝爾物理學獎——天文學家現在經常使用專門的觀測站研究這些來自合併黑洞的最後喘息聲，這些觀測站與聚光望遠鏡截然不同，就像耳朵與眼睛一樣不同。然而，大多數研究都與比超大質量黑洞小得多的黑洞對有關。要收聽來自宇宙中最大的合併黑洞的巨大引力波，需要新一代更先進的觀測站，科學家和工程師們才剛剛開始建造。
回報應該是值得的：如此巨大的合併被認為是“引力波背景”的最常見貢獻者，引力波背景是來自散佈在整個可觀測宇宙中的源頭的時空漣漪的總和，尚未被探測到，但卻印刻在整個天空中。明加雷利說，探測和繪製這個背景圖將產生“超大質量黑洞的宇宙合併歷史”以及其他大量對宇宙學至關重要的資訊。如果研究人員最終設法瞥見宇宙的引力波背景，那麼研究像 UGC 4211 這樣的合併系統的細節可以幫助研究人員更好地理解他們所看到的東西。
科斯希望未來對 UGC 4211 的研究將特別富有成果，因為它離地球很近。這個系統更容易從我們在宇宙中的位置觀察到，“就像你可以看到森林中附近的樹葉，而不是遠處的樹葉一樣，”他說。
這項發現還表明，可能存在比我們之前認為的更多的合併黑洞可供觀測，因為科斯是從少於 100 個活躍黑洞的樣本中發現它的。“總是有可能這項研究只是幸運，”伯克-斯波拉爾說。但即使這是一個僥倖，科學家們也將繼續尋找更多例子來填補這個宇宙編舞的最後步驟。