陸由俊 （國家天文臺研究員）
雙黑洞是由兩個相互繞轉(zhuǎn)的黑洞構(gòu)成的一類特殊天體系統(tǒng)，是當(dāng)前天體物理領(lǐng)域中最熱門的系統(tǒng)之一，它們關(guān)乎我們對宇宙星系結(jié)構(gòu)形成的理解、對廣義相對論和引力物理的終極檢驗。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，我們首先來介紹什么是黑洞以及其相關(guān)的物理現(xiàn)象。
一百年前，愛因斯坦提出了廣義相對論和場方程來描述引力和宇宙。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)給出了愛因斯坦場方程的真空解，也即不轉(zhuǎn)動黑洞的時空幾何度規(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)過錢德拉塞卡、奧本海默、霍金、克爾和惠勒等大師超過半個世紀(jì)的逐步發(fā)展和完善，黑洞已經(jīng)成為一個成熟的完整理論體系。
今天，眾所周知，黑洞是宇宙中最簡單最優(yōu)美的天體。天體物理黑洞的完整描述只需要兩個量，即質(zhì)量和自旋(黑洞無毛定律)。黑洞的超強引力使得一切物體甚至光線都不能逃出其視界(一個太陽大小的不轉(zhuǎn)動黑洞的視界只有約3公里，一億個太陽質(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，一切過于靠近它們的物體都將被撕裂吞噬。它們暗黑無邊，看似難以發(fā)現(xiàn)，但在吞噬氣體和恒星的過程中它們又成為宇宙中最為明亮的天體，即類星體或活動星系核。它們的視界代表著時空的邊緣，在遙遠(yuǎn)的觀測者看來空間可能在這里終止、時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，而且也是媒體的常客、公眾時不時的焦點、科幻小說和影視的寵兒。
黑洞如此致密，相對尺度如此之小，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，才可以觀測黑洞近鄰區(qū)域的星體或氣體物質(zhì)的運動，從而通過動力學(xué)特征發(fā)現(xiàn)它們的存在。黑洞存在的一個最好的例子就是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。對銀心處一些恒星的開普勒運動的長期監(jiān)測給銀心處存在一個約四百萬太陽質(zhì)量黑洞的提供了有力的證據(jù)[1,2](見圖一;電影《星際穿越》中卡岡圖雅的原形)。天文學(xué)家通過近幾十年的努力發(fā)現(xiàn)幾乎每一個星系的中心都存在至少一個超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量范圍約為百萬至百億個太陽質(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)量黑洞和其周圍恒星的軌道運動。(Credit: Andrea Ghez)
宇宙中存在超過數(shù)以億計的超大質(zhì)量黑洞，它們大多蟄伏在正常星系的核心處于寧靜狀態(tài)，而有一些則通過猛烈吞噬周圍的氣體物質(zhì)活躍起來成為類星體或活動星系核。在這些狂暴的類星體或活動星系中，黑洞如同星系帝國的皇者通過它們的暴怒掀起的狂風(fēng)傳達(dá)至帝國最偏遠(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的活動和疆域(示意見圖二)。因而超大質(zhì)量黑洞也是星系結(jié)構(gòu)形成中無法回避的力量和存在。
圖二：類星體活動造成的外流和風(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，兩個星系的合并如同一場星系尺度的戰(zhàn)爭：首先是兩個星系中的恒星通過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新的星系;兩個星系中心的皇者則也因受恒星和氣體的動力學(xué)摩擦損失能量和角動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。
雙黑洞可以通過引力彈弓效應(yīng)踢開飛經(jīng)它們附近的恒星或與沉入中心的氣體或氣體盤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，兩個皇者的相互繞轉(zhuǎn)和爭斗糾纏導(dǎo)致強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更大的黑洞永不分開。此時此地沒有光、沒有熱，而是直接擠壓和拉伸堅硬時空骨架的引力波，傳向宇宙的每一個角落(見圖三)。它最終嘎然而止，沒有繞梁余音，只有無邊的黑暗和沉寂。
圖三：雙黑洞并合造成的引力波輻射及時空畸變。(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)表明同一個星系中存在兩個黑洞，如NGC6240中的兩個硬 X射線發(fā)射源[6](見圖四)，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“潛龍在淵”難得一見。過去的幾十年中，天文學(xué)家通過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任何一個雙黑洞系統(tǒng)，至今仍未“見龍在田”。
圖四：NGC6240中的一對黑洞及其硬X射線輻射 [6]。
類星體和活動星系核中心黑洞吸積產(chǎn)生強大紫外光，會電離圍繞黑洞旋轉(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)塊圍繞黑洞運動造成的多普勒效應(yīng)，這些發(fā)射線光子因氣體團(tuán)塊的開普勒運動造成的多普勒效應(yīng)能量發(fā)生變化，從而不同團(tuán)塊發(fā)射光子疊加起來形成可觀測的寬發(fā)射線特征。若雙黑洞中的每一個均攜帶有寬發(fā)射線氣體團(tuán)塊并隨黑洞相互繞轉(zhuǎn)，則觀測到的寬線應(yīng)該是雙峰或非對稱的，且峰的位置或發(fā)射線輪廓隨時間作周期性變化。早在上世紀(jì)八十年代，某些類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)觀測證偽[9]。看起來很多雙峰寬發(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)會對其周圍的氣體吸積盤施加一個力矩，從而導(dǎo)致落入兩個黑洞的氣體的多少隨時間發(fā)生周期性變化(該結(jié)構(gòu)見圖示五);一個黑洞對繞另一黑洞的氣體吸積盤的周期性穿越也會導(dǎo)致該黑洞吸積物質(zhì)的變化;又或者一個黑洞吸積盤系統(tǒng)繞另一個黑洞旋轉(zhuǎn)的多普勒放大效應(yīng)會造成光變。這些變化反映在觀測上就是含雙黑洞的類星體或活動星系核存在周期性光變?；顒有窍岛薕J 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1億個太陽質(zhì)量的雙黑洞導(dǎo)致[10]。最近天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)類星體PG 1302-102具有一個5年的周期性光變[11]，這被認(rèn)為是由一上億個太陽質(zhì)量的黑洞及其吸積盤繞轉(zhuǎn)一超過10億個太陽質(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和模型檢驗。
若一類星體中存在雙黑洞，其中較小的黑洞會圍繞較大的黑洞快速轉(zhuǎn)動并掃除掉其近鄰區(qū)域吸積盤上的氣體，從而在吸積盤內(nèi)區(qū)挖出一個圈洞結(jié)構(gòu)，同時兩個黑洞還爭食氣體原料并擁有了屬于各自的小吸積盤(見圖五)。相對于單黑洞系統(tǒng)，雙黑洞系統(tǒng)中被第二個黑洞挖出的圈洞狀結(jié)構(gòu)對應(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“坑”。最近的研究發(fā)現(xiàn)類星體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，因此很可能是一個雙黑洞吸積系統(tǒng)[13]。當(dāng)然，Mrk 231也可能有光變。結(jié)合未來的光變或其它反映運動學(xué)的觀測，將可進(jìn)一步確證其中雙黑洞的存在。
人們期待未來的和正在進(jìn)行的大規(guī)模光變觀測巡天能找到越來越多的周期光變類星體，為雙黑洞研究提供更多的候選系統(tǒng)。在已知的數(shù)十萬類星體中，也有理由相信有相當(dāng)一些具有類似于Mrk 231的多波段連續(xù)譜。對周期性光變和類Mrk 231連續(xù)譜類星體的搜尋將會極大地推動雙黑洞的研究，并使得對雙黑洞軌道演化的統(tǒng)計研究成為可能。
以上談到的都是在類星體和活動星系核中搜尋雙黑洞。在寧靜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其周圍恒星的運動來探知。但目前的望遠(yuǎn)鏡都還不足以做到這點。不過如果一個恒星過于靠近黑洞(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)出大量的光并隨時間按一定的規(guī)律演化衰減，而遙遠(yuǎn)的觀測者則可幸運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)律與單黑洞可能會有所區(qū)別，這種差異也被用來尋找雙黑洞并發(fā)現(xiàn)了一個候選體[14]。當(dāng)然這也需要進(jìn)一步的證實。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困難。
毫無疑問的是,對雙黑洞最直接的證認(rèn)是測得它們在并合最后階段的引力波輻射。然而“大音希聲、大象無形”，廣義相對論預(yù)言的引力波至今還沒有被直接探測到。計劃建造的eLISA[15]空間引力波天文臺由置放在一個邊長為百萬公里的三角形三個頂點上的三個探測器構(gòu)成，它們繞太陽公轉(zhuǎn)并通過激光相互聯(lián)系，探測引力波傳過時空間發(fā)生的微小變化(見圖六)。雙黑洞是eLISA最重要的目標(biāo)源。相對論學(xué)家相信eLISA一旦建成(～2034年)就可以聆聽發(fā)自宇宙各處很多雙黑洞并合時因軌道迅速衰減而致的一聲緊似一聲的興奮低吟。它將會打開一個全新的窗口，為研究雙黑洞、宇宙學(xué)和引力本身帶來全面的突破。
脈沖星幾乎是宇宙中最好的時鐘，它們可以精確到十億分之一秒。脈沖星的脈沖信號橫跨時空傳至地球。若引力波穿過脈沖信號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)地球的時間。因此對脈沖信號的監(jiān)測也可幫助探測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)行的脈沖星時頻陣列[Pulsar Timing Array (PTA),如Parkes]等的觀測已經(jīng)表明引力波背景輻射信號比目前簡單的星系和黑洞演化模型給出的要小，對這些模型提出了很強挑戰(zhàn)[16]。
宇宙中的大量雙黑洞在或遠(yuǎn)或近的距離上共舞，它們彈撥時空的琴弦，奏響宇宙中最華美的交響樂章——背景引力波輻射。它們最終會合并為單黑洞并歸于沉寂，但它們永遠(yuǎn)不會消失。它們會蟄伏在時空的深處，張開引力的爪牙，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，又一次撥動時空之弦，傳遍宇宙的每一個角落。未來的引力波天文臺(如eLISA)和脈沖星時頻陣列(PTA)等也許會如期待的一樣探測并證實雙黑洞并合發(fā)射的引力波，也許不能。如果能，那將為廣義相對論這一宏偉殿堂添上一根最堅實的梁柱。如果不能，那么物理學(xué)和人們對宇宙的認(rèn)識也許會揭開一個嶄新的篇章。
2015年10月8日于北京
文獻(xiàn)：
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