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2014年5月28日
像M87这样的星系看上去比较乏味。不像那些漂亮的旋涡星系（包括银河系），M87在望远镜中看起来就是一大团橙色的恒星。唯一引人注目的是它有一条从星系中心向外伸展的气体喷流。 但是喷流的源头一点也不乏味：那是一个质量为太阳66亿倍的黑洞。还没有其它已知天体的质量有这么巨大——这个黑洞的重量比一个星团或小型星系都大。即使与其它巨型黑洞，如银河系心脏里那个相比，M87的黑洞也是个极其巨大的怪物。 这些黑洞为何会如此巨大？简单地说：就像大型星系诞生自碰撞和合并一样，大型黑洞也是由一对对较小黑洞合并产生的。你可能需要尝试把握这个故事中的大量细节，来推进我们有限的理论和观测：对黑洞碰撞的理解，需要有复杂的计算机模拟，以及精妙装置的检测。研究黑洞的合并兴许是理解奇特强引力效应最好的方法，从中有机会发现全新的现象。 黑洞与它的宿主星系是有紧密联系的，它们拥有共同的演化史。举例来说，黑洞的大小，反映了星系中心区域的大小。天文学家不会期望在小型星系内发现“超大质量”黑洞，那些黑洞的质量是太阳的数百万至数十亿倍。反之亦然（不过至少有一例，违反了这一规则，原因未知）。 由于大型星系是由较小星系合并产生的，研究者猜测，同样的事情也发生在它们的中央黑洞身上。那些具有新近合并迹象的星系，比如NGC 6240，有时会拥有2个明显的超大质量黑洞。它们是这个观点的佐证。但是两个黑洞变为一个的过程相当漫长，远远长于人类从事天文学研究的时间。所以当前我们理解这些黑洞相遇过程的唯一方法是理论。
理论模型显示，在星系合并过程中，黑洞会进入相互绕行的轨道，起初离得较远，随后逐渐盘旋，彼此靠近。广义相对论预测，它们在靠近时，会以引力辐射的形式向外辐射能量，直至最终合并。
正如快速变化的电流可以产生以无线电波为形式的电磁辐射一样，有质量的物体在运动时，也可以产生引力辐射。然而引力辐射比之无线电波，相当难以检测，因为引力比电磁力要弱得多。在我们周围，引力波无处不在，它们可以穿越我们的身体，但是我们感觉不到。1993年诺贝尔物理学奖授予了罗素·赫瑟（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor），他们因观测到双中子星的一种特殊行为而得奖，这种行为与它们发出引力辐射时应有的表现相符。但是直接检测引力辐射对我们来说仍然难以办到。 虽然地球在绕行太阳的过程中也会发出引力辐射，但是在太阳系的整个生命周期内，相应的能量损失是无法察觉的。双黑洞的情况就不同了：它们一旦靠近，就会释放出巨大的能量，每一次绕行都会使彼此靠得更近。（双黑洞在合并时，其辐射出的引力能量，比正常恒星数十亿年生命周期内释放出的紫外线、红外线和可见光能量总和还要多）最终，它们的事件视界会接触，双黑洞系统会在一个被称为“下环（Ring-down）”的平面上释放出更多的引力波，并从一个粗糙的、不均匀的形态，变为一个光滑的、完美对称的黑洞。 不幸的是，这个光滑的黑洞并不包含它过去的任何信息。所有的不平整度、错位和复杂的合并过程等信息都隐藏在了引力波信号中。 这就是为何引力波信号那么重要：这也许是我们研究黑洞合并最好的意义所在。地基激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和天基激光干涉仪空间天线（LISA）等实验装置存在的意义也在于此。前者已于2010年完成，计划2014年安装更好的检测仪。但后者因为预算问题被搁置、缩减了。这二者理应是相互补充的：从轨道上可以检测双黑洞合并前的辐射，而地面设备能够获取合并前最终阶段、合并时和下环的辐射信息。 不过理论学家不会坐等结果出现，现在正忙于完善模型，并根据爱因斯坦相对论，描述出引力波可能会有的外形特征。有两大原因使之很重要。首先是因为我们可能看到的，是普通望远镜看不到的引力辐射。其次，如果LIGO和LISA观测到的信号偏离预期，那么通过理论推演，可以发现新的有意思的东西。 天文学家还没有办法来探测黑洞内部，甚至还不能近距离观察它们的事件视界。但是合并的黑洞可以揭示在极端情况下引力的行为，并告诉我们宇宙中最大的黑洞究竟从何而来。 作者马修·弗朗西斯（Matthew Francis）为物理学家、科普作家、演说家和教育家。最近他在写一本关于宇宙学的新书，暂名为《回归之路，黑暗天空：宇宙之旅》 |
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