当黑洞并合

时间:2024-06-30 21:35:08

认识一下这个挑战者吧:这个新邻居的质量达太阳的1.4亿倍,是占据银河系中心的黑洞质量的35倍。现在,卫冕冠军上场了:这是一个180亿倍于太阳质量的黑洞。

在这场宇宙级拳击赛的前排就坐的观众们,请(小心翼翼地)靠近卫冕冠军OJ 287瞧瞧,它位于距我们35亿光年以外的一个星系的中心。这里,一个稍小的黑洞绕着大黑洞在转。每转一圈,它们就靠得更近一些,最终小黑洞会在大概一万年后被大黑洞吞噬,与此同时上演一出精彩的打斗表演。

尽管离我们如此遥远,OJ 287释放的能量如果转化为光的话,在空中看来却与冥王星差不多亮。我们自从19世纪80年代开始就用拍照板捕捉过它的靓影了,但是直到那之后一个世纪,芬兰图奥尔拉天文台的毛里·瓦尔托宁(Mauri Valtonen)才第一次注意到了它。他的团队意识到,和其他星系忽明忽暗、阴晴不定的中心不同,这个星系中心的明暗变化十分有规律,每隔12年左右就会迎来一次爆发,而每次爆发过后这个周期大概会缩短20天。在发现这个规律以后的几十年里,我们在研究其机理的道路上已经走了很远。

OJ 287是一览宇宙中星系的一个必经阶段的窗口。星系是通过同类“相食”而长大的,而几乎所有的星系中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合体的时候,它们中的黑洞要么扭打起来,最终以其中一个被抛出而告终;要么绕转着靠近,最后并合成一个更大的黑洞。

在OJ 287中,小黑洞正行进在与大黑洞并合的路上。大黑洞的成长还借助它周围的气体、尘埃组成的盘,这个盘会慢慢地沉到中心。小黑洞每转一圈,就会以超声速穿过这个盘。二者的猛烈撞击会吹出炽热气体的泡泡,并不断扩张、变稀薄且释放出紫外射线的洪流。就算把它放到距地球36光年之遥的地方,其辐射也比在地球表面晒太阳要更厉害。

这些撞击引起的爆发已然十分令人惊艳了,而黑洞间旋转的舞步在引力波——这一时空的舞动中释放的能量(见第4章)要强上数万倍,小黑洞根本不可能逃脱。这些波会从双星的轨道中提取出能量,将这对天体拉得更近,使得黑洞之间绕转的每一圈都比上一圈更小些。

在2015年,美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)为OJ 287提供了一次微缩版的预演。它侦测到了两个黑洞在最后并合时发出的引力波,其中每个黑洞的质量都是太阳的数十倍,每一对双星并合以后都只留下一个黑洞。

由于OJ 287的质量太大,它最后的并合对于LIGO来说频率太低而无法被侦测到,但是它的结局与其他黑洞是类似的。“一山不容二虎”,来自两个星系的黑洞旋转着靠近,最终只能有一个黑洞笑到最后。

当黑洞并合

采访:为巨人留影

丹·马罗内( Dan Marrone)是美国亚利桑那大学斯图亚特天文台的一位天文学家。他是事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)项目的成员,这个项目计划第一次为黑洞拍照。

黑洞顾名思义是黑色的,那么你们如何给一个黑洞拍照?

如果从正面看黑洞,它看起来的确是黑的,因为很少有光能逃出来。但是在它的周围,你能看到一个明亮的圆环,那是由刚刚飘掠过黑洞周围、转了几圈勉强逃出来的光子组成的。这些光就是我们想在事件视界望远镜里观测的。

事件视界望远镜是一台“全地球望远镜”,能说说它的原理吗?

在射电天文学领域,如果你想获得比单台望远镜更高的分辨率,可以用整个地球上的许多不同望远镜记录信号,并将信号叠加起来,最后的效果就相当于你有了一台大小和整个地球差不多大的望远镜。

你们对准的是哪个黑洞?

我们对准了人马座A*,它是在我们星系中心的超大质量黑洞;还有M87中心的黑洞,M87是室女座超星系团里最大的星系。在观测的频段上,一台地球大小的望远镜刚好可以看到上述大小的黑洞。

到现在为止每个黑洞的图片都是艺术家的想象画,那么真相和想象差得远吗?

想从我们的测量结果中得到一幅图像其实挺难的。我们很可能会用伪彩色图展示结果,不同的颜色代表不同的光的亮度。这幅图肯定不会像艺术家创作的想象画那么漂亮。星系会将我们和黑洞之间的光模糊掉,所以看不到很多精细的细节。但是我们展现的图像无论如何都不会让你失望——你看到的将是一幅前所未有的画卷。

能拍动图吗?是否可以起名叫“黑洞小视频”?

如果有什么东西绕着黑洞的话的确可以,我们还真的预期会发生这样的事情。如果有气体在掉进黑洞前先绕着黑洞转一圈,可能会花上4~27分钟,具体的时长取决于黑洞的自旋。如果我们在观测的几天中看到黑洞及其周围结构的变化,就能将结果以视频的形式展现出来。

你们希望从图片中了解到什么?

哪怕仅仅是拍一张黑洞的照片,并证明黑洞上的阴影恰如我们预期的是由于光线无法逃逸导致的就已经相当了不起了。此外,我们还能研究星系黑洞的结构,以及黑洞在“吃”不到物质时的状态,人马座A*就是这么一个状态。

我们还预期可以检验广义相对论,它预言围绕着黑洞边缘的光环是完美的圆形。如果广义相对论中的引力作用在这个极强的引力场下接近极限,从而发生了破缺,那么这一光环就不会是完美的圆形。