每個(gè)黑洞質(zhì)量都是太陽質(zhì)量的8億多倍，隨著這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞在死亡螺旋中逐漸靠近，它們將開始在時(shí)空中發(fā)出漣漪般的引力波。這些宇宙波紋將加入到其他超大質(zhì)量黑洞引力波的背景噪聲中。即使在命中注定的碰撞發(fā)生之前，這對(duì)超大質(zhì)量黑洞發(fā)出的引力波也會(huì)使之前由小得多的黑洞和中子星合并，所探測到的引力波相形見絀。紐約熨鐵龍研究所計(jì)算天體物理中心的副研究員、發(fā)現(xiàn)者之一Chiara Mingarelli說：超大質(zhì)量黑洞雙星產(chǎn)生的引力波是宇宙中最大。
來自超大質(zhì)量黑洞對(duì)的引力波，比LIGO探測到的引力波大一百萬倍。這項(xiàng)研究由普林斯頓大學(xué)(Princeton University)副研究員安迪·古爾丁(Andy Goulding)牽頭。來自普林斯頓大學(xué)和華盛頓特區(qū)美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的古爾丁、明加雷利及其合作者這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2019年7月10日的《天體物理學(xué)》(Astrophysical Journal Letters)上。這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞特別有趣，因?yàn)樗鼈兙嚯x地球約25億光年。
由于在天文學(xué)中觀察遙遠(yuǎn)的物體就像回顧時(shí)間一樣，這對(duì)黑洞屬于一個(gè)比我們周圍宇宙年輕25億年的宇宙。巧合的是，天文學(xué)家估計(jì)黑洞開始產(chǎn)生強(qiáng)大引力波所需的時(shí)間大致相同。在今天的宇宙中，黑洞已經(jīng)在發(fā)射這些引力波，但即使以光速傳播，這些波也要幾十億年才能到達(dá)我們這里。不過，這兩個(gè)黑洞仍然很有用。雙星黑洞的發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)家估計(jì)有多少附近的超大質(zhì)量黑洞正在發(fā)射引力波，我們現(xiàn)在就可以探測到。
探測引力波背景將有助于解決天文學(xué)中一些最大的未知問題，比如星系融合的頻率，超大質(zhì)量黑洞對(duì)是否會(huì)完全融合，或者陷入近乎無休止的繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)。研究合著者、普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)教授珍妮·格林(Jenny Greene)說：我們不知道超大質(zhì)量黑洞是否會(huì)合并，這對(duì)天文學(xué)來說是一個(gè)重大的尷尬，對(duì)于研究黑洞物理學(xué)的每個(gè)人來說，從觀測上看，這是一個(gè)我們需要解決的長期難題，超大質(zhì)量黑洞包含數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)太陽的質(zhì)量。
幾乎所有的星系，包括銀河系，其核心都至少有一個(gè)龐然大物。當(dāng)星系合并時(shí)，超大質(zhì)量黑洞相遇并開始相互環(huán)繞。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)氣體和恒星穿過黑洞并竊取能量時(shí)，這個(gè)軌道就會(huì)變小。然而，一旦超大質(zhì)量黑洞足夠靠近，這種能量盜竊就幾乎停止了。一些理論研究表明，黑洞之間的距離約為約3.2光年。這種放緩幾乎無限期地持續(xù)下去，被稱為秒差距的最后一個(gè)問題。在這種情況下，只有由三個(gè)或更多超大質(zhì)量黑洞組成的非常罕見群體才會(huì)導(dǎo)致合并。
天文學(xué)家不能僅僅尋找停滯的對(duì)偶，因?yàn)樵缭诤诙聪嗑?秒差距之前，它們就太近了，無法作為兩個(gè)獨(dú)立的物體來區(qū)分。此外，只有當(dāng)它們克服了最終的1秒差距障礙并靠得更近時(shí)，它們才會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力波（在25億光年外觀測到這些新發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞，相隔約430秒差距）。如果秒差距的最后一個(gè)問題不存在，那么天文學(xué)家預(yù)計(jì)宇宙中充滿了來自超大質(zhì)量黑洞對(duì)的引力波。這種噪音被稱為引力波背景，有點(diǎn)像蟋蟀在夜晚發(fā)出的嘈雜聲，無法分辨一只蟋蟀和另一只蟋蟀，但噪音的大小可以幫助估計(jì)有多少只蟋蟀。
當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞最終相撞并結(jié)合時(shí)，它們發(fā)出的轟鳴聲讓其他所有黑洞相形見絀。不過，這樣的事件很短暫，而且極其罕見，所以科學(xué)家們預(yù)計(jì)近期內(nèi)不會(huì)發(fā)現(xiàn)。超大質(zhì)量黑洞對(duì)產(chǎn)生的引力波超出了LIGO和Virgo等實(shí)驗(yàn)?zāi)壳翱捎^測到的頻率。相反，引力波獵人依靠的是一組叫做脈沖星的特殊恒星，它們的作用類似于節(jié)拍器。快速旋轉(zhuǎn)的恒星以穩(wěn)定節(jié)奏發(fā)出無線電波。如果一個(gè)經(jīng)過的引力波拉伸或壓縮了地球和脈沖星之間的空間，節(jié)奏就會(huì)稍微被打亂。
使用這些脈沖星定時(shí)陣列中的一個(gè)來探測引力波背景需要耐心和大量被監(jiān)測的恒星。一個(gè)脈沖星的節(jié)奏在十年內(nèi)可能只會(huì)被打亂幾百納秒。背景噪聲越大，定時(shí)干擾越大，第一次檢測就越快。古爾丁、格林和團(tuán)隊(duì)中的其他觀測天文學(xué)家用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡探測到了這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。雖然超大質(zhì)量黑洞無法通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接觀測到，但它們被明亮的恒星團(tuán)和強(qiáng)大引力吸引而來的溫暖氣體所包圍。在歷史上的某個(gè)時(shí)期，隱藏著新發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞對(duì)的星系“基本上是宇宙中最明亮的星系”。
更重要的是，星系核心正在噴出兩股異常巨大的氣體柱。在研究人員將哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星系以揭示其壯觀氣體云的起源之后，發(fā)現(xiàn)星系中包含的不是一個(gè)而是兩個(gè)巨大黑洞。隨后，觀測學(xué)家與引力波物理學(xué)家明加雷利和普林斯頓大學(xué)研究生克里斯·帕爾多合作，在引力波背景下解釋了這一發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)為估算有多少超大質(zhì)量黑洞對(duì)在地球探測距離之內(nèi)提供了一個(gè)定位點(diǎn)。
之前的估計(jì)是基于星系融合計(jì)算機(jī)模型，而不是對(duì)超大質(zhì)量黑洞對(duì)的實(shí)際觀測。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，帕爾多和明加雷利預(yù)測，在樂觀的情況下，銀河系附近大約有112個(gè)超大質(zhì)量黑洞在發(fā)射引力波。因此，對(duì)超大質(zhì)量黑洞引力波背景的首次探測應(yīng)該在未來五年左右內(nèi)完成。如果不進(jìn)行這樣的檢測，這將證明秒差距的最終問題可能無法解決。該團(tuán)隊(duì)目前正在觀察其他類似于隱藏著新發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞對(duì)星系，找到更多配對(duì)將有助于進(jìn)一步完善預(yù)測。
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