发现超大质量双黑洞有多少种办法

黑洞及其吸积盘和喷流示意图

　　苟利军
　　近日，天文学家在7.5亿光年外的一个射电星系，用射电望远镜观测到两颗互相绕转的超大质量黑洞。为此，黑洞研究专家、国家天文台研究员苟利军化身好奇君与砺珺，为大家深入解读超大质量双黑洞的方方面面。
　　好奇君：你听说了吗，天文学家第一次“看”到了两颗黑洞互相绕转的情景。
　　国家天文台砺珺：你说的是美国国家射电天文台6月27日发布的新闻公报吧。借助射电望远镜阵，美国天文学家观测到7.5亿光年外两个超大质量黑洞互相绕转。这确实是人类首次观测到双黑洞作为独立的天体跳起“双人舞”。这两颗黑洞彼此相距仅24光年，总质量达到太阳的150亿倍。初步计算结果显示，它们互绕一圈需3万年。
　　其实，天文学家早在1995年就发现了这两个黑洞所在星系，之后多次利用甚长基线射电望远镜阵（VLBA）进行了观测，于2006年发现了其中包含的超大质量双黑洞，而最近又进一步得到了这个双黑洞系统的绕转速度。VLBA望远镜推断出两个黑洞相隔大约24光年。对于两个超大质量黑洞而言，这真的是很近！至此，天文学家把这两颗黑洞的“三围”，也就是黑洞到地球的距离、黑洞的质量以及黑洞相互的绕转速度都了解清楚了。
　　好奇君：不过探测到双黑洞系统似乎不稀奇，LIGO不是确认探测到三起双黑洞并合事件，另外还有多起疑似双黑洞并合事件吗？
　　国家天文台砺珺：LIGO目前已经探测到的双黑洞系统都是恒星量级的，也就是体重不到太阳一百倍的黑洞，比如第一次引力波所探测到的双黑洞质量分别为36和29倍的太阳。和这次看到的“大胖子”黑洞体重相差太远。
　　好奇君：据说我们的银河系中，存在着上千万个恒星量级的黑洞。那超大质量黑洞有多少呢？
　　国家天文台砺珺：是的，银河系可能有很多小黑洞。但到目前为止，我们只在银河系中确认了二十个左右黑洞的存在，此外还有四五十个黑洞候选体。对于质量较小的恒星量级双黑洞，在地面引力波探测器直接探测它之前，科学家们并不确定它们是否存在。
　　对于超大质量双黑洞的认识就完全不同了。天文学家们早已经知道它们的存在，并且为寻找它们已经努力了很长时间。当代的天文学观测告诉我们，几乎每一个星系的中心都会包含一个超大质量黑洞。也就是说，宇宙中有多少星系，就有多少超大质量黑洞。根据哈勃望远镜的最新观测，我们宇宙中有上万亿个星系，所以我们可以想象宇宙中黑洞的数目差不多也这么多。
　　按照目前流行的宇宙结构形成和星系等级演化理论，我们所看到的大型星系都是小星系逐渐合并形成的。比如，我们银河系和临近的仙女座星系，因为相互之间的引力作用，估计再过大约40亿年，它们会碰撞到一起并且最终合并。可以想象，两个星系在形成新星系的同时，原来星系中心的黑洞也会聚集到新星系的中心，形成一个双黑洞系统而最终合并。这个过程中，会产生引力波，被太空引力波探测器探测到。最近，欧空局在多年的徘徊后决定批准太空激光干涉仪（LISA）计划，目标之一便是在太空探测超大质量双黑洞所产生的引力波。
　　好奇君：早在20世纪90年代，美国航空航天局和欧空局就决定合作推进LISA任务，但其推进一波三折。是什么力量让欧空局重新考虑并批准了一个搁置如此长时间的探测计划？
　　国家天文台砺珺：欧空局历时二十多年终于批准LISA任务，一方面是LIGO在2015年9月直接探测到了引力波，欧空局看到了引力波探测的可能性和其中所包含的科学价值，另一方面则归因于探测技术的进步。相较于地面探测器LIGO，太空探测引力波无疑有着众多的优势，抛开所谓的太空无额外地面振动因素的影响之外，更大的优势在于激光干涉臂长的长度。受地球表面弯曲的影响，地面探测器的管道不可能做得非常长，第三代的地面探测器的物理臂长有可能达到40公里，不过那已经是接近于地面直线管道的极限。在LISA最初提出之时，一度计划500万公里，后来因为美国的退出，整个项目的臂长缩水变成了100万公里。而就在今年年初，美国又重新回归到了LISA项目当中，所以最新的项目计划是250万公里。为了探测引力波，臂长所能保持的精度是至关重要的一项技术。
　　就在美国探测到第一例引力波之后不久，2015年的12月份，欧空局发射了LISA探路者探测器，用来测试包括距离精度在内的部分技术的可行性。结果发现最终的测试结果超好，远远超过预期。这无疑为LISA的顺利通过评估增加了很大的砝码。
　　好奇君：但LISA最早要在2034年才能发射升空。要发现超大质量双黑洞，难道人类目前能做的只有等待吗？
　　国家天文台砺珺：对于超大质量双黑洞而言，如果星系中心存在着大量气体，那么黑洞会通过吸积气体产生较强的电磁辐射，天文学中称这种现象为活动星系核或者类星体。宇宙中有大约百分之十的星系会表现出这样的特征。对于那些超大质量双黑洞系统而言，如果两个黑洞都有吸积现象的话，那么两个黑洞就有可能产生相对应的电磁辐射，从而产生可区分的观测效应。而且因为超大质量黑洞的吸积过程会产生全波段的电磁辐射，这就为双黑洞的探测提供了众多可能性。自上个世纪八十年代，天文学家们已经在试图利用各种不同的电磁手段去寻找这样的系统。
　　在X射线波段，如果在星系的中心能够观测到两个不同的X射线源的话，那么在一定程度上就可以推断双黑洞的存在，不过因为X射线的分辨率较差，所以如果能够分辨出两个X射线点源的话，那么两个黑洞通常也是分隔很远的。比如在著名的NGC6240星系中，就看到了中心有两个X射线源的存在，彼此距离大约几千光年。
　　在光学波段，因为每一个吸积盘都会产生宽的特征发射线，但因两个黑洞在彼此相互绕转，所以在多普勒效应的影响下，会在此类系统的观测光谱中产生一个双峰结构，并且此双峰结构呈现出周期性的变化。过去的十多年当中，天文学家已经发现了一些候选体，但至今尚未确认任何一例。
　　在射电波段，天文学家利用了类似X射线波段的探测方式，直接寻找星系中心有无两个黑洞的射电辐射。不过射电波段有非常成熟的干涉技术，具有目前最高精度的空间分辨率，因此凭借射电技术有可能可以找到相隔很近的那些双黑洞系统。就像这次测量绕转速度的超大质量双黑洞系统，就是在射电波段观测的。
　　好奇君：探测超大质量双黑洞的手段这么多，是不是随着技术进步，很快就能发现更多“大胖子”双黑洞？
　　国家天文台砺珺：目前在电磁波段还是进展缓慢，因为我们探测黑洞，都是利用黑洞周围的电磁辐射，而黑洞附近会有很多其他气体的电磁辐射干扰，从而使得超大质量双黑洞的探测面临很多的不确定性。相比之下，对于特定的观测频段，能扰动时空并且产生很强引力波的天体源是非常稀少的。因此，随着LISA探测器的发射升空，这一局面将会得到极大的改善。引力波作为一种全新的探测方式，也将为天文学家提供独特的有关于超大质量黑洞的视角。
　　未来无论是通过何种方式，发现更多超大质量双黑洞，都将为我们带来宇宙中新的惊奇。曾经担任LIGO项目经理的盖瑞·桑德斯在去年访问中国的讲演中说道：“每一次我们用一种全新的方式看宇宙，我们都会看到一个全新的宇宙。”
　　（作者系国家天文台研究员、中国科学院大学教授）