一個遙遠星系中心奇怪閃耀的物體可能是解開宇宙中最龐大黑洞如何合併之謎的關鍵。
超大質量黑洞的質量是太陽的數百萬到數十億倍，是宇宙中最重的重量級天體，它們潛伏在幾乎每個大型星系的中心。儘管它們不發光，但這些物體在吞噬氣體和塵埃時，仍然可以創造出壯觀的天體煙火，產生高能粒子噴流和旋轉的碎片盤，這些景象在整個宇宙中清晰可見，被稱為活動星系核（AGN）。現在，科學家們在一個遙遠的活動星系核中發現了一個耀斑，他們懷疑這是一個超大質量黑洞放大了附近另一個黑洞的輻射而產生的，這表明這對黑洞可能在未來10萬年內合併。如果這兩個黑洞確實即將合併，它們將為天文學家提供一個前所未有的機會，深入瞭解巨型黑洞究竟如何走到一起這個鮮為人知的過程。
2017年，天體物理學家丹尼爾·多拉齊奧和羅莎內·迪·斯特凡諾詳細描述了一對即將合併的超大質量黑洞應該如何相互進行引力透鏡效應，以及如果即將到來的合併的軌道平面與地球對齊，則可能看到的由此產生的訊號。圍繞黑洞的物質在加速向這對黑洞中的任何一個成員運動時，應該在X射線波長中發光。如果一個黑洞從另一個黑洞前方經過，“前景”黑洞巨大的、扭曲時空的引力場將像透鏡一樣發揮作用，放大背景光源。“這是一個非常獨特的特徵，”哈佛大學天體物理學中心和史密森學會的研究員迪·斯特凡諾說。
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10月，她和多拉齊奧與幾位合作者一起，報告說發現了一個物體發出的訊號與他們的理論預測相符。美國國家航空航天局的開普勒太空望遠鏡在2011年收集的資料顯示，一個不尋常的活動星系核有一個奇怪的尖峰。如果這個被稱為“斯派基”的物體像多拉齊奧和他的同事預測的那樣，在今年春天再次重複其耀斑，那將是他所謂的“確鑿證據”，證實斯派基是一對即將合併的超大質量黑洞。哈佛大學天文學家多拉齊奧上個月在檀香山舉行的美國天文學會會議上介紹了這項新的分析。
“最後秒差距問題”
當星系碰撞時，它們中心的超大質量黑洞最終會找到通往新形成的星系中心的路，並最終被拉到一起。對合並星系核心的觀測顯示，要麼是一個單一的超大質量黑洞（大概是兩個或更多黑洞已經合併的地方），要麼是在彼此幾個秒差距內（一個秒差距大約是3.26光年）軌道執行的黑洞。
“我們非常有信心，當兩個星系合併時，它們所容納的黑洞將彼此靠近到一秒差距之內，”麻省理工學院的天體物理學家斯科特·休斯說，他沒有參與這項研究。
問題出現在最後的秒差距，在那裡，引力不足以克服每個黑洞軌道執行的離心力，將這對黑洞拉得更近。如果沒有穩定的物質流入來攪動，這兩個黑洞可能會在合併前停下來，並在宇宙的生命週期內保持靜止狀態。這個“最後秒差距問題”不會影響較小的恆星質量黑洞對，它們可以透過大量發射引力波來釋放多餘的軌道能量，從而更容易合併。但較大的黑洞需要一些東西來推動它們越過最後的障礙，然後它們自身的引力波發射才能啟動，到那時，最終的合併將不可避免。
“我們對最後秒差距內發生的事情沒有很好的理解，”加州理工學院的宇宙學家馬修·格雷厄姆說，他沒有參與這項新研究。“我們有理論上的理解，但我們沒有良好的觀測證據來與理論相匹配。”至少，研究人員還沒有這樣的證據。
除了揭示數千顆系外行星外，開普勒還發現了數十個活動星系核。一項關於這些物體的2018年研究揭示，在一個名為KIC 11606854的活動星系核中存在異常的耀斑活動。更仔細的觀察顯示，耀斑的盈虧光線反映了一對合並的黑洞可能如何相互進行引力透鏡效應的預測。你好，斯派基。
“最終結果非常幸運，”哈佛大學的研究生，報告斯派基發現的預印本論文的第一作者貝蒂·胡說。研究開普勒活動星系核的研究人員將資訊傳遞給了多拉齊奧和他的同事，他們發現該訊號與透鏡模型“非常吻合”，迪·斯特凡諾說。
根據迪·斯特凡諾的說法，合併的黑洞可能各自被嵌入在一個更大的共享盤中的“迷你盤”環繞，該共享盤圍繞這兩個物體執行。迷你盤可能會隨著黑洞吞噬它們而消散，但偶爾會被來自更大的外圍盤的物質補充。每個吞噬迷你盤的黑洞都有一個有益的副作用，即釋放額外的軌道能量，並使兩個黑洞螺旋式地靠得更近，有可能克服最後秒差距問題。根據研究人員的模型，斯派基應該在未來10萬年左右合併——這在天文時間尺度上只是一眨眼的功夫。
直到下一次
然而，僅憑一次耀斑不足以證實斯派基是一對合並的黑洞。多拉齊奧和他的同事已經在計劃今年春天研究斯派基，以尋找更多證據。根據他們對這對黑洞軌道執行的最佳估計，他們初步確定下一次引力透鏡事件最有可能發生在2020年4月。但是，胡說，揮之不去的不確定性意味著耀斑可能發生在2月到7月之間的任何時間。
該團隊已經獲得了美國國家航空航天局的錢德拉X射線天文臺的時間，以觀測預計在4月發生的耀斑，該耀斑應該持續大約10天。與此同時，研究人員正在繼續使用地面儀器監測該系統。如果斯派基在4月之前開始活躍起來，他們希望能夠捕捉到一絲跡象，以便調整他們使用錢德拉和其他設施進行的觀測，以進行補償。“我認為[多拉齊奧]在試圖弄清楚所有可能的方式來跟蹤這個系統方面做得非常出色，因為它是[合併黑洞]的最佳候選者，”迪·斯特凡諾說。
如果斯派基在今年春天顯示出預測的耀斑，那將是一件大事。“如果它成立並且實際上是一個雙星系統，我認為它將為我們提供一個案例，說明如果我們要尋找尚未合併的近距離雙星系統，應該尋找什麼，”休斯說。這樣的例子應該使未來尋找合併的超大質量黑洞變得更容易。
這個結果對於歐洲航天局的雷射干涉儀空間天線（LISA）任務來說將是好訊息，該任務計劃在2030年代的某個時候發射，以尋找超大質量黑洞發出的引力波。儘管斯派基可能不會在LISA的觀測期內合併，但它可以讓任務規劃者更好地瞭解有多少合併的巨型黑洞在太空中等待著宇宙飛船去觀測。
無耀斑的奇蹟
再說，斯派基可能不會再次閃耀耀斑；也許它根本不是一對超大質量黑洞。根據格雷厄姆的說法，在過去幾年中，已經出現了越來越多的關於潛在合併的超大質量黑洞的說法，但最終結果卻是其他東西。
如果7月過去，但沒有獨特的訊號跡象，那麼最初的事件可能只是一個前所未見的，來自相對正常的活動星系核的耀斑型別。儘管仍然有一些其他的近合併超大質量黑洞的候選者等待確認，但未探測到訊號將使合併黑洞的搜尋者幾乎回到原點。
但是，未探測到訊號並不一定意味著迪·斯特凡諾和多拉齊奧的模型是錯誤的。“這個過程一定會在宇宙中的某個地方發生，”迪·斯特凡諾說。只要兩個黑洞彼此軌道執行，就應該發生引力透鏡效應；這只是這對黑洞是否處於合適的方位，以便從地球上看到這種效應的問題。在他們的原始論文中，她和多拉齊奧預測，大約有10%的雙星系統會處於適當的角度，讓天文學家瞥見它們的引力透鏡耀斑。
“如果斯派基不起作用，我們知道這個過程會發生，”迪·斯特凡諾說。“最終，我們應該能夠探測到它，但我們可能不得不觀察其他系統才能看到它。”格雷厄姆對此表示贊同。“這是一個概念上很棒的想法，”他說。“這些東西應該會產生透鏡效應。”