陸由俊 （國(guó)家天文臺(tái)研究員）
雙黑洞是由兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的黑洞構(gòu)成的一類(lèi)特殊天體系統(tǒng)，是當(dāng)前天體物理領(lǐng)域中最熱門(mén)的系統(tǒng)之一，它們關(guān)乎我們對(duì)宇宙星系結(jié)構(gòu)形成的理解、對(duì)廣義相對(duì)論和引力物理的終極檢驗(yàn)。本文旨在介紹雙黑洞系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀和展望。在介紹雙黑洞之前，我們首先來(lái)介紹什么是黑洞以及其相關(guān)的物理現(xiàn)象。
一百年前，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論和場(chǎng)方程來(lái)描述引力和宇宙。在第一次世界大戰(zhàn)的一條戰(zhàn)壕內(nèi)，卡爾.史瓦西靈光閃現(xiàn)給出了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的真空解，也即不轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞的時(shí)空幾何度規(guī)。戰(zhàn)壕外隆隆的槍炮聲似乎是在迎接現(xiàn)代意義上的黑洞這一神奇概念和理論的誕生。隨后經(jīng)過(guò)錢(qián)德拉塞卡、奧本海默、霍金、克爾和惠勒等大師超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的逐步發(fā)展和完善，黑洞已經(jīng)成為一個(gè)成熟的完整理論體系。
今天，眾所周知，黑洞是宇宙中最簡(jiǎn)單最優(yōu)美的天體。天體物理黑洞的完整描述只需要兩個(gè)量，即質(zhì)量和自旋(黑洞無(wú)毛定律)。黑洞的超強(qiáng)引力使得一切物體甚至光線都不能逃出其視界(一個(gè)太陽(yáng)大小的不轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞的視界只有約3公里，一億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量大小的黑洞的視界則只有日地距離的一至兩倍)。致命的引力使得它們成為宇宙中氣體和恒星的墳冢，一切過(guò)于靠近它們的物體都將被撕裂吞噬。它們暗黑無(wú)邊，看似難以發(fā)現(xiàn)，但在吞噬氣體和恒星的過(guò)程中它們又成為宇宙中最為明亮的天體，即類(lèi)星體或活動(dòng)星系核。它們的視界代表著時(shí)空的邊緣，在遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者看來(lái)空間可能在這里終止、時(shí)間可能在這里被凍結(jié)。黑洞的這些奇妙性質(zhì)使得它們不僅成為最基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，而且也是媒體的?？汀⒐姇r(shí)不時(shí)的焦點(diǎn)、科幻小說(shuō)和影視的寵兒。
黑洞如此致密，相對(duì)尺度如此之小，以至于目前只有少數(shù)具有極高分辨率、極高靈敏度的大型望遠(yuǎn)鏡，比如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，才可以觀測(cè)黑洞近鄰區(qū)域的星體或氣體物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)動(dòng)力學(xué)特征發(fā)現(xiàn)它們的存在。黑洞存在的一個(gè)最好的例子就是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。對(duì)銀心處一些恒星的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)給銀心處存在一個(gè)約四百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的提供了有力的證據(jù)[1,2](見(jiàn)圖一;電影《星際穿越》中卡岡圖雅的原形)。天文學(xué)家通過(guò)近幾十年的努力發(fā)現(xiàn)幾乎每一個(gè)星系的中心都存在至少一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量范圍約為百萬(wàn)至百億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量大約是它們宿主星系或星系核球質(zhì)量的千分之一到千分之五左右[3]。超大質(zhì)量黑洞與星系間的緊密相關(guān)性預(yù)示它們是共同演化的。
圖一：銀河中心超大質(zhì)量黑洞和其周?chē)阈堑能壍肋\(yùn)動(dòng)。(Credit: Andrea Ghez)
宇宙中存在超過(guò)數(shù)以億計(jì)的超大質(zhì)量黑洞，它們大多蟄伏在正常星系的核心處于寧?kù)o狀態(tài)，而有一些則通過(guò)猛烈吞噬周?chē)臍怏w物質(zhì)活躍起來(lái)成為類(lèi)星體或活動(dòng)星系核。在這些狂暴的類(lèi)星體或活動(dòng)星系中，黑洞如同星系帝國(guó)的皇者通過(guò)它們的暴怒掀起的狂風(fēng)傳達(dá)至帝國(guó)最偏遠(yuǎn)的邊疆、驅(qū)趕星系中多余的氣體、控制恒星的形成從而控制帝國(guó)的活動(dòng)和疆域(示意見(jiàn)圖二)。因而超大質(zhì)量黑洞也是星系結(jié)構(gòu)形成中無(wú)法回避的力量和存在。
圖二：類(lèi)星體活動(dòng)造成的外流和風(fēng)藝術(shù)想象圖。(Credit: ESO/L. Cal?ada)
宇宙中星系的碰撞和合并是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象。當(dāng)前的冷暗物質(zhì)宇宙結(jié)構(gòu)和星系形成的標(biāo)準(zhǔn)模型也預(yù)言那些巨大的星系是由小星系不斷合并而成。在此圖景下，兩個(gè)星系的合并如同一場(chǎng)星系尺度的戰(zhàn)爭(zhēng)：首先是兩個(gè)星系中的恒星通過(guò)相互間暴虐的沖殺弛豫而交換能量以達(dá)到新的平衡形成一個(gè)新的星系;兩個(gè)星系中心的皇者則也因受恒星和氣體的動(dòng)力學(xué)摩擦損失能量和角動(dòng)量相互靠近落入新星系的中心形成雙黑洞(相互間距離在光年左右或以下)[4,5];兩個(gè)星系中的氣體也可能相互碰撞損失能量落入新星系的中心，為中心的皇者提供燃料、觸發(fā)它們的憤怒產(chǎn)生大量的光、熱和風(fēng)以控制新星系的成長(zhǎng)。
雙黑洞可以通過(guò)引力彈弓效應(yīng)踢開(kāi)飛經(jīng)它們附近的恒星或與沉入中心的氣體或氣體盤(pán)粘滯作用等損失能量進(jìn)一步相互靠近。當(dāng)雙黑洞的距離足夠近，兩個(gè)皇者的相互繞轉(zhuǎn)和爭(zhēng)斗糾纏導(dǎo)致強(qiáng)大的引力波輻射損失能量，它們快速靠近并最終融合為一個(gè)更大的黑洞永不分開(kāi)。此時(shí)此地沒(méi)有光、沒(méi)有熱，而是直接擠壓和拉伸堅(jiān)硬時(shí)空骨架的引力波，傳向宇宙的每一個(gè)角落(見(jiàn)圖三)。它最終嘎然而止，沒(méi)有繞梁余音，只有無(wú)邊的黑暗和沉寂。
圖三：雙黑洞并合造成的引力波輻射及時(shí)空畸變。(Credit: NASA / C. Henze)
宇宙中頻繁的星系碰撞和并合預(yù)示著雙黑洞廣泛存在于星系中心。自從上世紀(jì)八十年代人們就開(kāi)始努力搜尋超大質(zhì)量雙黑洞。已經(jīng)有一些明確證據(jù)表明同一個(gè)星系中存在兩個(gè)黑洞，如NGC6240中的兩個(gè)硬 X射線發(fā)射源[6](見(jiàn)圖四)，但它們的距離較遠(yuǎn)(幾千光年左右或以上)還未形成相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞。然而相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞則如“潛龍?jiān)跍Y”難得一見(jiàn)。過(guò)去的幾十年中，天文學(xué)家通過(guò)各種方法尋找雙黑洞，試圖一睹它們的神秘真容，但是除了發(fā)現(xiàn)一些候選體外還難以真正證實(shí)任何一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)，至今仍未“見(jiàn)龍?jiān)谔铩薄?/p>
圖四：NGC6240中的一對(duì)黑洞及其硬X射線輻射 [6]。
類(lèi)星體和活動(dòng)星系核中心黑洞吸積產(chǎn)生強(qiáng)大紫外光，會(huì)電離圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體團(tuán)塊輻射出諸如萊曼阿爾法等發(fā)射線光子。由于氣體團(tuán)塊圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)，這些發(fā)射線光子因氣體團(tuán)塊的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)能量發(fā)生變化，從而不同團(tuán)塊發(fā)射光子疊加起來(lái)形成可觀測(cè)的寬發(fā)射線特征。若雙黑洞中的每一個(gè)均攜帶有寬發(fā)射線氣體團(tuán)塊并隨黑洞相互繞轉(zhuǎn)，則觀測(cè)到的寬線應(yīng)該是雙峰或非對(duì)稱的，且峰的位置或發(fā)射線輪廓隨時(shí)間作周期性變化。早在上世紀(jì)八十年代，某些類(lèi)星體的雙峰寬線就被認(rèn)為是由雙黑洞造成的[7]。天文學(xué)家也據(jù)此陸續(xù)找到了一些雙黑洞的候選體[8]，但其中一些已被后續(xù)觀測(cè)證偽[9]。看起來(lái)很多雙峰寬發(fā)射線都能用其它(而非雙黑洞)模型更好地解釋。當(dāng)然，更進(jìn)一步的證認(rèn)還在進(jìn)行中。
在雙黑洞系統(tǒng)中，雙黑洞的相互繞轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)其周?chē)臍怏w吸積盤(pán)施加一個(gè)力矩，從而導(dǎo)致落入兩個(gè)黑洞的氣體的多少隨時(shí)間發(fā)生周期性變化(該結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖示五);一個(gè)黑洞對(duì)繞另一黑洞的氣體吸積盤(pán)的周期性穿越也會(huì)導(dǎo)致該黑洞吸積物質(zhì)的變化;又或者一個(gè)黑洞吸積盤(pán)系統(tǒng)繞另一個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)的多普勒放大效應(yīng)會(huì)造成光變。這些變化反映在觀測(cè)上就是含雙黑洞的類(lèi)星體或活動(dòng)星系核存在周期性光變?；顒?dòng)星系核OJ 287就具有12年的周期性光變，它被認(rèn)為是由質(zhì)量分別為2百億和1億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的雙黑洞導(dǎo)致[10]。最近天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體PG 1302-102具有一個(gè)5年的周期性光變[11]，這被認(rèn)為是由一上億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞及其吸積盤(pán)繞轉(zhuǎn)一超過(guò)10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的多普勒放大效應(yīng)導(dǎo)致[12]。但是這些候選體是否一定是雙黑洞仍有待更多觀測(cè)和模型檢驗(yàn)。
若一類(lèi)星體中存在雙黑洞，其中較小的黑洞會(huì)圍繞較大的黑洞快速轉(zhuǎn)動(dòng)并掃除掉其近鄰區(qū)域吸積盤(pán)上的氣體，從而在吸積盤(pán)內(nèi)區(qū)挖出一個(gè)圈洞結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩個(gè)黑洞還爭(zhēng)食氣體原料并擁有了屬于各自的小吸積盤(pán)(見(jiàn)圖五)。相對(duì)于單黑洞系統(tǒng)，雙黑洞系統(tǒng)中被第二個(gè)黑洞挖出的圈洞狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的這部分輻射(如光學(xué)或紫外輻射)就缺失了。反映在光譜上就是在光學(xué)或紫外端比那些單黑洞系統(tǒng)多了一個(gè)“坑”。最近的研究發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體Mrk 231的連續(xù)譜輻射具有這種明顯的特征，很難為其它模型解釋?zhuān)虼撕芸赡苁且粋€(gè)雙黑洞吸積系統(tǒng)[13]。當(dāng)然，Mrk 231也可能有光變。結(jié)合未來(lái)的光變或其它反映運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀測(cè)，將可進(jìn)一步確證其中雙黑洞的存在。
人們期待未來(lái)的和正在進(jìn)行的大規(guī)模光變觀測(cè)巡天能找到越來(lái)越多的周期光變類(lèi)星體，為雙黑洞研究提供更多的候選系統(tǒng)。在已知的數(shù)十萬(wàn)類(lèi)星體中，也有理由相信有相當(dāng)一些具有類(lèi)似于Mrk 231的多波段連續(xù)譜。對(duì)周期性光變和類(lèi)Mrk 231連續(xù)譜類(lèi)星體的搜尋將會(huì)極大地推動(dòng)雙黑洞的研究，并使得對(duì)雙黑洞軌道演化的統(tǒng)計(jì)研究成為可能。
以上談到的都是在類(lèi)星體和活動(dòng)星系核中搜尋雙黑洞。在寧?kù)o星系中也可能存在很多雙黑洞[4,5]，它們或許可以用直接成像或觀測(cè)其周?chē)阈堑倪\(yùn)動(dòng)來(lái)探知。但目前的望遠(yuǎn)鏡都還不足以做到這點(diǎn)。不過(guò)如果一個(gè)恒星過(guò)于靠近黑洞(或雙黑洞)，它將不幸地被黑洞的潮汐力撕裂并吞噬掉，在短期內(nèi)(～1-10年)發(fā)出大量的光并隨時(shí)間按一定的規(guī)律演化衰減，而遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者則可幸運(yùn)地借此一窺黑洞的真容。雙黑洞的潮汐瓦解恒星現(xiàn)象的演化規(guī)律與單黑洞可能會(huì)有所區(qū)別，這種差異也被用來(lái)尋找雙黑洞并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)候選體[14]。當(dāng)然這也需要進(jìn)一步的證實(shí)。但潮汐瓦解現(xiàn)象的快速變暗并歸于沉寂使得后期的跟蹤研究變得相對(duì)困難。
毫無(wú)疑問(wèn)的是,對(duì)雙黑洞最直接的證認(rèn)是測(cè)得它們?cè)诓⒑献詈箅A段的引力波輻射。然而“大音希聲、大象無(wú)形”，廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波至今還沒(méi)有被直接探測(cè)到。計(jì)劃建造的eLISA[15]空間引力波天文臺(tái)由置放在一個(gè)邊長(zhǎng)為百萬(wàn)公里的三角形三個(gè)頂點(diǎn)上的三個(gè)探測(cè)器構(gòu)成，它們繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)并通過(guò)激光相互聯(lián)系，探測(cè)引力波傳過(guò)時(shí)空間發(fā)生的微小變化(見(jiàn)圖六)。雙黑洞是eLISA最重要的目標(biāo)源。相對(duì)論學(xué)家相信eLISA一旦建成(～2034年)就可以聆聽(tīng)發(fā)自宇宙各處很多雙黑洞并合時(shí)因軌道迅速衰減而致的一聲緊似一聲的興奮低吟。它將會(huì)打開(kāi)一個(gè)全新的窗口，為研究雙黑洞、宇宙學(xué)和引力本身帶來(lái)全面的突破。
脈沖星幾乎是宇宙中最好的時(shí)鐘，它們可以精確到十億分之一秒。脈沖星的脈沖信號(hào)橫跨時(shí)空傳至地球。若引力波穿過(guò)脈沖信號(hào)的前行路徑造成空間微小的擠壓或拉伸，其可影響脈沖到達(dá)地球的時(shí)間。因此對(duì)脈沖信號(hào)的監(jiān)測(cè)也可幫助探測(cè)雙黑洞并合造成的引力波輻射及很多雙黑洞并合造成的引力波背景輻射。正在進(jìn)行的脈沖星時(shí)頻陣列[Pulsar Timing Array (PTA),如Parkes]等的觀測(cè)已經(jīng)表明引力波背景輻射信號(hào)比目前簡(jiǎn)單的星系和黑洞演化模型給出的要小，對(duì)這些模型提出了很強(qiáng)挑戰(zhàn)[16]。
宇宙中的大量雙黑洞在或遠(yuǎn)或近的距離上共舞，它們彈撥時(shí)空的琴弦，奏響宇宙中最華美的交響樂(lè)章——背景引力波輻射。它們最終會(huì)合并為單黑洞并歸于沉寂，但它們永遠(yuǎn)不會(huì)消失。它們會(huì)蟄伏在時(shí)空的深處，張開(kāi)引力的爪牙，等待著吞噬不幸靠近它們的氣體或恒星，從而再次創(chuàng)造輝煌而成為宇宙中最閃亮的天體。又或者它們等待著與靠近它們的伙伴結(jié)伴共舞，又一次撥動(dòng)時(shí)空之弦，傳遍宇宙的每一個(gè)角落。未來(lái)的引力波天文臺(tái)(如eLISA)和脈沖星時(shí)頻陣列(PTA)等也許會(huì)如期待的一樣探測(cè)并證實(shí)雙黑洞并合發(fā)射的引力波，也許不能。如果能，那將為廣義相對(duì)論這一宏偉殿堂添上一根最堅(jiān)實(shí)的梁柱。如果不能，那么物理學(xué)和人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也許會(huì)揭開(kāi)一個(gè)嶄新的篇章。
2015年10月8日于北京
文獻(xiàn)：
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