張馳

幾十億年之后，如果人類還在，那么那時的人類將有幸目睹一大天文奇觀——銀河系與仙女座星系的相撞。

根據(jù)科學(xué)家的模擬顯示，我們可能看不到天體相撞的火光四射、烈焰橫飛的景象，倒是更有可能看到夜空中星星快速移動的場面。最終兩個星系完全融合，變成一個更大的星系（相關(guān)內(nèi)容請參看我刊2007年第12期A《當銀河撞到仙女》）。那么合并時，這兩個星系中心的超大質(zhì)量黑洞相遇時會怎么樣呢？根據(jù)我們的常識，星系中心的黑洞引力極大，能夠吞噬周邊一定范圍內(nèi)的所有物質(zhì)，即使是光也無法逃脫。這樣看來，兩個超大質(zhì)量黑洞相遇時，勢必會“張開血盆大嘴”互相吞噬，快速完成合并。

但事實果真如此嗎？研究人員通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，超大質(zhì)量黑洞遇到超大質(zhì)量黑洞時，場面不會那么“血腥”，反而可以說有那么一點浪漫。

浪漫的黑洞雙人舞

在一些歌舞劇中經(jīng)常有這樣的景象：兩個一見鐘情的人，被對方莫名吸引，他們開始跳起表達兩個人心中愛意的舞蹈，然后兩個人越來越近……兩個超大質(zhì)量黑洞相遇時，景象也類似，它們會被對方吸引，相互環(huán)繞運動。

科學(xué)家的模擬顯示，當兩個星系合并時，它們中心的兩個超大質(zhì)量黑洞彼此圍繞靠近對方，然后被對方的引力捕獲，兩者之間形成了聯(lián)系，它們就像被對方吸引的兩個人，不分離。按照這樣的發(fā)展，兩個超大質(zhì)量黑洞應(yīng)該會很快合并，但是讓人出乎意料的是，當兩個超大質(zhì)量黑洞之間達到一定距離——大約3光年（1秒差距）時，它們雖然仍繞著對方旋轉(zhuǎn)，但是卻變得害羞起來，就像互相愛慕，但都不肯先表白的兩個人，始終保持距離。為什么超大質(zhì)量黑洞合并的過程中會有這樣的插曲呢？

事實上，在兩個超大質(zhì)量黑洞相互靠近的過程中，黑洞會將能量轉(zhuǎn)移到氣體和恒星之間，從而使自身損失能量。這個作用的結(jié)果就是使黑洞的軌道發(fā)生變化，通過不斷的能量轉(zhuǎn)移一步步靠近。但是當兩個黑洞的距離達到1秒差距時，它們之間剩余的物質(zhì)已經(jīng)很少，它們不能再通過向周圍的物質(zhì)轉(zhuǎn)移能量，來改變自己的軌道。而兩個超大質(zhì)量黑洞要想再繼續(xù)向?qū)Ψ娇拷?，那么就只能默默地旋轉(zhuǎn)，慢慢消耗自己的能量，逐漸接近彼此，最終合并在一起。而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這樣的過程所耗費的時間可能會超過當前宇宙的年齡。

但在現(xiàn)實中，的確存在超大質(zhì)量黑洞合并現(xiàn)象。這就像兩個互相愛慕的人，不管過了多長時間，經(jīng)歷了多少困難，最終還是會有情人終成眷屬一樣。那么，超大質(zhì)量黑洞究竟最后怎么克服困難，合并在一起的？這個問題就是長期困擾科學(xué)家的“最后秒差距問題”。

不過，對于恒星級黑洞來說，合并可能要簡單得多，不會被最后秒差距問題所困。恒星級黑洞是由大質(zhì)量的恒星引力坍縮而成的，它們的質(zhì)量幾倍到幾十倍于太陽質(zhì)量不等。相比于星系中心百萬倍甚至百億倍于太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，恒星級黑洞就是小不點。恒星級黑洞合并通常發(fā)生在由雙星系統(tǒng)演化而來的雙黑洞系統(tǒng)。只要最初兩顆恒星的位置比較相近，那么演化為雙黑洞系統(tǒng)后，兩顆黑洞就有機會在不太長的時間里發(fā)生合并。

解決最后秒差距的關(guān)鍵

在過去30年里，科學(xué)家已經(jīng)收集了數(shù)百個星系中心超大質(zhì)量黑洞合并的照片，這些超大質(zhì)量黑洞屬于合并的不同階段，但是即使是最“親密”的兩個超大質(zhì)量黑洞，它們的距離也不小于幾千秒差距。科學(xué)家們之所以不能觀測到更靠近的超大質(zhì)量黑洞，是因為現(xiàn)在的觀測設(shè)備還不夠強大，還無法解析出兩個靠得更近的超大質(zhì)量黑洞。

那是不是說最后秒差距問題就不能解決了呢？科學(xué)家說：不是！根據(jù)廣義相對論，當兩個超大質(zhì)量黑洞靠得非常近時——幾百億千米（約0.001秒差距）時，它們會拋掉大量的能量，這些能量大部分以引力波的形式被釋放到宇宙中，最后兩個黑洞會在能量大爆發(fā)中完成合并，此時會產(chǎn)生強烈的引力波信號。

既然超大質(zhì)量黑洞的合并會產(chǎn)生巨大的引力波，那么我們只要關(guān)注正在合并的超大質(zhì)量黑洞方向是否有引力波信號，以及引力波的變化，那不就有可能研究出它們怎么合并的，并解決最后秒差距問題了嗎？但問題是，現(xiàn)在的望遠鏡根本“不認識”引力波，因為太空望遠鏡只能“看到”輻射，而引力波則需要“聽”。

那么，有什么方法可以讓我們“聆聽”到超大質(zhì)量黑洞合并時制造的引力波嗎？

“聆聽”引力波的方法

為了“聆聽”到引力波，科學(xué)家想了很多辦法，其中就包括在地球上建專門用于檢測引力波的探測器，比如位于美國的激光干涉引力波天文臺（即LIGO），這個天文臺由兩個引力波探測器組成，是目前世界上靈敏度最高的引力波探測器。而在2015年9月，LIGO就首次直接捕捉到了引力波信號，但這次的引力波是兩個恒星級黑洞合并時產(chǎn)生的（相關(guān)內(nèi)容可參閱我刊2016年04A《發(fā)現(xiàn)引力波：愛因斯坦又對了》）。事實上，LIGO只能檢測到恒星級黑洞合并。因為超大質(zhì)量黑洞的合并，產(chǎn)生的引力波頻率較低，為10-3赫茲左右，低于LIGO的檢測范圍（1赫茲～10萬赫茲）。要想檢測到超大質(zhì)量黑洞的合并，必須建造更大的引力波探測器。目前還在設(shè)計中的“激光干涉太空引力波天線”（LISA）的檢測頻率更低一些，為10-5赫茲～1赫茲，有機會檢測到超大質(zhì)量黑洞合并時產(chǎn)生的引力波。

除了LISA以外，科學(xué)家想到了借助自然界中的“望遠鏡”——毫秒脈沖星。毫秒脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的恒星“尸體”，和普通的脈沖星一樣，它們發(fā)出的無線電波也能周期性地掃過地球，但不同的是，毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期更短，每秒旋轉(zhuǎn)上百次，所以它們所發(fā)出的無線電波能在非常短的時間內(nèi)按照非常固定的周期掃過地球。這就意味著，毫秒脈沖星這個天然的望遠鏡可能比人類的引力波探測器更加靈敏，如果引力波對脈沖星的無線電信號產(chǎn)生了干擾，那么科學(xué)家們是很有可能會發(fā)現(xiàn)的。而幾個或者幾十個毫秒脈沖星組成的脈沖星計時陣列則更加靈敏，最低能檢測到納赫茲級頻率的引力波。并且與單個毫秒脈沖星相比，毫秒脈沖星陣列就像一張大網(wǎng)，捕捉到引力波的幾率更大。

利用這些方法，科學(xué)們有可能發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞合并時制造的引力波，獲得關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，從而在計算機上更準確地模擬超大質(zhì)量黑洞合并最后1秒差距內(nèi)的情況。

合并的超大質(zhì)量黑洞在哪里？

既然科學(xué)家已經(jīng)知道怎么找到引力波了，那么去哪兒找即將合并的超大質(zhì)量黑洞呢？

閃爍的類星體是不錯的選擇。類星體是大型的古老星系核，星系核的中心則是超大質(zhì)量黑洞。其中心的超大質(zhì)量黑洞擁有強大的引力，周圍的物質(zhì)會被吸引，聚集在黑洞周圍旋轉(zhuǎn)，形成一個圓形的吸積盤，而黑洞在吞噬物質(zhì)時，會加熱吸積盤上的物質(zhì)，發(fā)出強光，因此類星體很明亮。但是黑洞周圍的氣體和塵埃不是均勻、穩(wěn)定地流向吸積盤，因此類星體所發(fā)出的光通常也是不規(guī)律的，有時更亮一些，有時則暗一些。然而如果類星體中有兩個超大質(zhì)量黑洞，那么第二個黑洞的旋轉(zhuǎn)就會對類星體物質(zhì)盤產(chǎn)生影響，使類星體發(fā)出的光變得有規(guī)律。

這樣擁有兩個黑洞的類星體是可能存在的。2013年，科學(xué)家就觀測到了一個奇特的類星體，它的編號為“PG 1302-102”，距離地球約35億光年，它的特別之處在于它正在有規(guī)律地變亮——每5年亮度就增大一次，就好像有人在周期性地切換燈的開關(guān)。這與普通的類星體不同，科學(xué)家認為，這個類星體中有兩個超大質(zhì)量黑洞，而且它們正處于合并的過程中，它們的距離可能只有0.01秒差距，甚至可能是0.001秒差距，這大約等于太陽系的直徑。預(yù)計這兩個超大質(zhì)量黑洞將在100萬年之內(nèi)完成合并。屆時，兩個相互環(huán)繞、急速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞會在宇宙中掀起漣漪，釋放引力波，科學(xué)家們有可能可以檢測到。

讓人欣慰的是，擁有兩個超大質(zhì)量黑洞的類星體不在少數(shù)。迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)確定了100多個可能含有兩個超大質(zhì)量黑洞的類星體，這些超大質(zhì)量黑洞之間的距離可能都在最后秒差距的范圍內(nèi)。這些候選者或許可以讓科學(xué)家們窺探到超大質(zhì)量黑洞合并的最后時刻。

這樣看來，科學(xué)家要了解超大質(zhì)量黑洞合并最后時刻的細節(jié)，只是時間問題。而從解決此問題的意義上來說，科學(xué)家們并不只是為了看兩個超大質(zhì)量黑洞合并的最后階段是什么情況，最重要的是科學(xué)家希望通過超大質(zhì)量黑洞的合并及其所釋放的引力波，了解宇宙結(jié)構(gòu)的形成，以及引力的本質(zhì)，這才是科學(xué)家不斷搜尋天空，試圖窺探超大質(zhì)量黑洞合并最后時刻的主要原因。