星系中心有些黑洞会成对——但是探测这些成对的黑洞并不容易
宇宙中的双黑洞有多普遍？从百年天文历史数据中，寻找双黑洞存在的迹象
寻找双黑洞——活跃星系核中发出的周期性信号，会是双黑洞存在的证据吗
一些黑洞因受重力约束，而绕彼此旋转，如模拟图所示。
（图片来源：极端时空模拟/激光干涉仪引力波天文台）
本文首发于《对话》学术杂志，并转载在space.com “太空网”的“专家之声：评论与见解”中。作者马可.阿耶罗是南卡罗来纳州克莱姆森大学的物理和天文学教授，乔纳森·扎拉克目前也在该校任物理学助理教授。
每一个星系的中心都有一个超大质量黑洞，正如每个鸡蛋都有一个蛋黄。但有时，母鸡会下有两个蛋黄的蛋。同样，像我们这样研究超大质量黑洞的天体物理学家们，也希望能在某些星系的中心找到双黑洞系统——既两个相互绕转在一起的超大质量黑洞。
黑洞是太空中的强引力区域，其引力强烈到甚至连光都无法从其附近逃脱。当一颗大质量恒星从内部核心坍缩时，就会形成黑洞。然后，这个黑洞就像个宇宙吸尘器一样开始运作。而这种超大黑洞的质量，是太阳质量的百万倍甚至更大。我们这些科学家们研究它们，以了解引力是如何运作，以及星系是如何形成的。
弄清楚一个星系的中心是有一个还是有两个黑洞，并不像打碎一个鸡蛋来检查里面有几个蛋黄那么容易。但是，测量这种超大质量双黑洞系统出现的频率，仍然可以帮助研究人员了解星系合并时会发生什么。
在一项新研究中，我们的团队挖掘了一百多年来的天文历史数据。我们从不同星系发出的光线中，寻找双超大质量黑洞系统存在的迹象。
星系碰撞与引力波
像我们银河系这样的星系，其年龄几乎和宇宙一样古老。但有时，这些星系会与其他星系相撞，导致星系合并，从而形成一个更大、更重的星系。
而在两个合并星系的中心，会各自都有一个黑洞。从而当这两个星系的黑洞足够接近时，它们可能会形成一对受引力束缚的黑洞。这对黑洞可能会存在数亿年，直至两个黑洞最终合二为一。
这样的双黑洞，会以引力波的形式释放能量——这是专业天文台可以探测到的时空涟漪。根据爱因斯坦的广义相对论，这些时空涟漪以光速传播，从而导致周围的空间本身像波浪一样起伏——即伸展和挤压。
引力波的存在，可以通过脉冲星来进行探测。脉冲星是坍缩恒星的致密明亮核心，通常在脉冲星计时阵列中使用。脉冲星旋转得非常快，并发射出周期性的无线🛜电波。通过寻找这种周期性无线🛜电波中的间隙和异常，可以探测到引力波的存在。
脉冲星计时阵列可以探测到过去 90 亿年内，宇宙中双黑洞系统整体发出的集体引力波信号。但其灵敏度，仍不足以探测到单个星系中单个双黑洞系统发出的引力波信号。即使是最强大的望远镜🔭，也无法直接对这些双黑洞进行成像。因此，天文学家必须使用其他巧妙的间接方法，来确定一个星系中心是否存在有超大质量双黑洞。
艺术家对深空脉冲星的描绘。（图片来源：Shutterstock“快门素材”图片/音乐/视频资料库网站）
寻找双黑洞存在的迹象
一种间接方法，是寻找来自活跃星系中心的周期性信号。这些活跃星系发射的能量，远远超过天文学家根据它们所含的恒星、气体和尘埃数量所预期的能量。
这些星系从它们的核心或中心（称为活跃星系核）发射能量。在一个称为吸积的过程中，每个活跃星系中的黑洞利用重力将附近的气体拉向内部。气体在接近黑洞事件视界时会加速——就像漩涡周围的水向内旋转得越来越快一样。
随着温度升高，这些气体会在可见光、紫外线和 X 射线光下发出明亮的光芒。所以活跃星系核是宇宙中最明亮的物体之一。
一些活跃星系核可以发射喷流。喷流是加速到接近光速的粒子束。当这些喷流与我们的天文台的视线对齐时，它们会显得非常明亮，就像宇宙灯塔。
一些活跃星系核拥有周期性的光信号，这些光信号会变亮、变暗，再次变亮。这一独特的信号，可能来自内部两个超大质量黑洞的周期性运动。据此，天文学家可以在这种星系中寻找双黑洞系统。
搜寻双黑洞系统
我们的团队研究了一个称为 PG 1553+153的活跃星系核。从该核发出的光，大约每 2.2 年就变亮和变暗一次。
这种周期性变化，暗示PG 1553+153 内部可能存在一对超大质量的双黑洞。当然，双黑洞也不是这种变化的唯一解释。其他现象，如摇摆不定的喷流，或黑洞周围物质流动的变化等，也能在没有双黑洞的情况下解释这种模式。因此，我们必须首先排除这些其他解释。
为了了解 PG 1553+153 系统的光发射模式是否来自双黑洞，我们模拟了超大质量双黑洞收集气体的过程。我们的模型表明，在一些时候，当黑洞吸入气体时，密集的气体团块会聚集在黑洞周围。
我们的计算表明，这些气体团块围绕两个黑洞旋转所需的时间，应该是两个黑洞相互旋转所需时间的 5 到 10 倍。
因此，我们最终有了一个可以对之进行检验的明确预测。即如果双黑洞系统导致 PG 1553+153 出现 2.2 年的周期性变化，那么对于气体团块围绕黑洞的旋转，我们就应该能够看到一个更长周期的变化模式，即大约每 10 到 20 年为一个周期。
但要确定这是否真的是一种周期性模式，我们需要重复观察四到五个周期。即对于 PG 1553+153，这将是 40 到 100 年。
天文学家们已经观测天空数百年了。但是，数字天文学的时代才刚刚开始。也就是说，天文图像被记录在计算机上并保存在数据库中，大约是从公元2000 年才开始的。
在此之前，大约从 1850 年开始，天文学家就在黑胶底片上记录天空的图像。这些涂有感光化学层的平板玻璃，传统上用于摄影。世界各地的许多天文台都存有可追溯到一百多年前的夜空照片。而更早之前，天文学家则是在笔记本📓上勾勒出天空的样子。
像哈佛大学的 DASCH（哈佛数字访问天空世纪）这样的项目，已经开始将一些天文台的摄影胶片数字化，以便科学家和非科学家们都能使用。
我们的团队了解到，DASCH 数据库提供了可追溯到 1900 年的 PG 1553+153 数据，这超过了120 年。我们使用这个数据集，来看看是否可以观测到每 10 到 20 年重复一次的模式。
结果令我们有些惊讶的是，我们发现了一个 20 年周期的模式。这为我们的理论提供了更多证据，以支持 PG 1553+153 的核心存在一个双黑洞系统的假设。这一模式的发现，还使我们计算出两个超大质量黑洞的质量比为 2.5:1——其中一个是另一个的 2.5 倍——并且它们的轨道几乎是圆形的。
虽然这些历史数据让我们更加相信PG 1553+153 中可能存在两个超大质量黑洞。但我们仍然不能完全确信。最终的确定可能需要等到脉冲星计时阵列变得足够灵敏，从而可以探测到来自 PG 1553+153 的引力波那时为止。
本文由 《对话》杂志提供。
BY:马可.阿耶罗
FY: Asis Rui
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