新研究称特大质量黑洞合并产生的引力波或将在10年内被发现

文：娟娟

作者系网易新闻&网易号“各有态度”签约作者。

天文学家们或许不必等待太长的时间就可以一瞥宇宙中最大规模的合并事件。11月13日发表在《Nature Astronomy（自然天文学）》上的新研究预测，由两个特大质量黑洞合并产生的引力波将在10年内被探测到。这项研究是第一次使用真实数据预测，而非计算机模拟预测。

图片：模拟图，两个黑洞绕着彼此旋转进而融合成一个黑洞　　图片来自：www.saxonscope.com

论文的第一作者Chiara Mingarelli说：“来自这些特大质量黑洞合并的引力波是宇宙中最强的引力波，”“与之相比LIGO探测到的双黑洞合并规模简直是太小了。”LIGO的全称是Laser Interferom eter Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台，2015年9月14日，LIGO第一次在物理上感知到时空本身的扭曲，LIGO当天探测到的引力波来自于13亿光年之外两个黑洞的强烈碰撞。

由爱因斯坦的广义相对论指出并被科学观测所证实，引力会引起时空弯曲，时空的弯曲结构取决于物质的能量密度、动量密度在时空中的分布，而时空的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。引力波，则是时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。1916年，爱因斯坦在他的广义相对论中预言了引力波的存在。爱因斯坦的数学表明，大质量的加速运动的物体（如绕着彼此运行的中子星和黑洞）将会破坏时空的结构，使得扭曲的空间的“波浪”从源头向外辐射。并且，这种涟漪将以光速穿过宇宙，携带着辐射源的信息，同时也带走了辐射源的部分能量，以及有关引力本身性质的极其重要的线索。

图片：以降低一维的方式展示引力波，时空弯曲的涟漪。　　图片来自：www.sbs.com.au

Mingarelli介绍，探测特大质量黑洞的合并，可以为了解大型星系和黑洞的演化提供新见解；从另外一个方面来说，如果在10年内未目击到这样的合并事件，则需要重新考虑特大质量黑洞是否会合并以及怎样合并的问题。

特大质量黑洞潜藏在大型星系的中心，它们具有数百万倍甚至几十亿倍的太阳质量。作为比较，LIGO第一次探测到的两个黑洞合并后的质量约为62倍太阳质量，第二次探测到的黑洞融合后约为21倍太阳质量，第三次探测到的合并产生的新黑洞，约为49倍的太阳质量。

图：草帽星系 Credit: NASA/Hubble Heritage Team

当两个星系相撞发生合并时，它们各自原来的特大质量黑洞会逐渐向着新形成的星系中心移动。科学家们预测这两个特大质量黑洞随后将随着时间的推移逐渐靠近并融合。这种融合并不温柔，它将产生极其强烈的引力波——时间和空间的巨大的涟漪。特大质量黑洞合并产生的引力波不同于恒星质量黑洞合并产生的引力波，LIGO和Virgo可以探测到后者，但却探测不到前者，因为前者太强，已经超出了LIGO和Virgo可以探测到的波长。

既然如此，天文学家又将如何探测特大质量黑洞合并产生的引力波呢？聪明的天文学家将利用脉冲星（pulsar）来搜寻这种引力波。脉冲星会发出稳定的无线电波脉冲，当引力波经过脉冲星时，它会对地球与脉冲星之间的时空产生拉伸和压缩，导致脉冲的节奏略有改变。地球上的脉冲星监测项目可以监测到这种节奏的变化。目前有三个项目可以读取来自周边脉冲星的无线电波的时间。

至于未来十年内是否真的可以如研究所说，监测到特大质量黑洞合并产生的引力波，将会是一件十分有趣的事情。一旦探测到这种壮观的天文事件所产生的引力波，天文学家就能够更好地理解星系中心合并的天体物理学。但如果没有探测到特大质量黑洞合并，那也有可能是两个黑洞在距离彼此3光年远处停止了合并的进程，这种情况被称为最终秒差距问题（the Final Parsec Problem）。无论是哪种情况，都会是个爆炸性的新闻吧。我们拭目以待。

参考资料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/11/171113123647.htm

https://www.nature.com/articles/s41550-017-0299-6