引力透镜技术揭示超大质量黑洞双星系统

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翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2026-02-gravitational-lensing-technique-unveils-supermassive.html

艺术家笔下受到超大质量黑洞双星系统的引力透镜效应的星光（橘色）。爱因斯坦环为蓝色。图片来源：马克斯·普朗克协会。

超大质量黑洞双星系统是在星系并合时自然形成的。但是科学家目前只在少数彼此相距较远的系统中观测到了可靠的证据。我们还没有观测到彼此紧密环绕的黑洞双星。在近日发表于《物理评论快报》的论文中，研究人员提出可以通过来自黑洞后方的单颗恒星发出的重复闪光来搜寻这些隐藏的系统：当两个黑洞围绕着彼此旋转时，引力透镜效应会暂时放大这些恒星的光。

超大质量黑洞位于大多数星系的中心。当两个星系碰撞并合时，它们中央的黑洞最终会形成被引力束缚的双星系统，也就是超大质量黑洞双星系统。这类系统在星系演化中扮演着关键角色，它们也是宇宙中最强大的引力波源之一。虽然未来像空间激光干涉仪（LISA）这样的空间引力波探测器能直接观测此类双星系统，但研究人员现已证明，我们或许已能利用现有的及即将开展的电磁波巡天项目探测到它们。

引力透镜

“超大质量黑洞是天然的望远镜，”马克斯·普朗克引力物理研究所的米格尔·苏马拉卡雷吉（Miguel Zumalacárregui）说，“由于有巨大的质量和紧凑的体积，超大质量黑洞能够强烈弯曲经过其附近的光线。来自同一宿主星系的星光可以被聚焦成格外明亮的图像。这种现象被称为引力透镜效应。”

对于单个超大质量黑洞而言，只有当一颗恒星几乎精确地位于观测视线上时，才会发生极其强烈的引力透镜效应。相比之下，超大质量黑洞双星系统相当于一对透镜。这会形成一种名为“焦散线”（caustic curve）的菱形结构；沿着这条曲线，恒星的亮度可能会被显著地放大。

“与单个黑洞相比，双黑洞系统大幅提高了星光被强烈放大的概率。”牛津大学物理系、本项研究地合作者本采·科奇斯（Bence Kocsis）解释道。

另一个关键区别在于，黑洞双星系统并非静止不动。当这对黑洞在引力作用下相互运动时，这个系统会辐射引力波从而逐渐损失能量。因此，双黑洞之间的距离会随时间缩小，其轨道运动也会逐渐加快。

“随着系统的运动，焦散线会旋转并改变形状，扫过其后方地大量恒星。如果一颗明亮的恒星位于这一范围内，那每次焦散线掠过它时都有可能产生一次极为明亮的闪光，”研究的第一作者，科奇斯团队的博士生王汉熙（音译）说道，“这会导致星光出现重复的爆发，为识别超大质量黑洞双星系统提供了清晰而独特的信号。”

可探测信号中的宝贵信息

研究人员表明，这些闪光的时间分布和亮度变化蕴含着关于黑洞双星系统的重要信息。随着两个黑洞逐渐旋近，引力波辐射会微妙地改变焦散结构，在闪光的频率和峰值亮度中留下特别的调制信号。

通过测量这些闪光，天文学家可以推断黑洞双星系统的重要性质：着不仅包括黑洞的质量，还包括它们轨道的演化。在引力的作用下，它们围绕着彼此旋转，慢慢地通过引力波辐射损失能量。这也会使两个黑洞之间的距离不断缩小。尽管这些闪光现象可能以数年为周期重复出现（这对应于超大质量黑洞的轨道周期），但闪光频率本身的变化则需要更长时间才能显现。

目前我们能够实现的是“快照式”观测：通过这种方式观测到的不同黑洞双星系统将呈现出不同地频率，因为这些位于不同星系中心的黑洞也处于不同的演化阶段。

随着薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）和南希·格雷丝·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）等强大的大视场巡天项目陆续投入运行，研究人员对在未来几年内观测到这种重复出现的引力透镜闪光充满信心。

“在未来地空基引力波探测器上线之前数年识别出这些正在旋近的超大质量黑洞双星系统，这一前景令人无比振奋，”科奇斯总结道，“这将为真正的黑洞‘多信使’研究打开大门，让我们能够以前所未有的方式检验引力理论和黑洞物理。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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渔船和城市灯光

在这张来自地球上空259英里的国际空间站的夜间照片中，渔船用绿灯照亮了印度西海岸的阿拉伯海，旨在吸引鱿鱼、虾、沙丁鱼和鲭鱼。在右下角，海得拉巴的城市灯光以其历史悠久的钻石和珍珠贸易而闻名，向西延伸至孟买大都市区，孟買大都市区有2600多万人，是宝莱坞的中心。

图片来源：美国宇航局/Zena Cardman，国际空间站