倆黑洞“掐架”會殃及池魚嗎

NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處於最終通過引力波輻射而損失軌道角動量形成雙黑洞併合之前的階段，這個階段對研究超大質量雙黑洞系統演化至關重要，為科學家提供了一個研究超大質量雙黑洞系統的絕佳機會。

◎本報記者 吳純新

通 訊 員 王瀟瀟

茫茫宇宙，佈滿了無數星系與黑洞。它們是自得其樂、相安無事，還是暗自較量、劍拔弩張？

近日，有科學家發現，在距離地球約8900萬光年的寶瓶座NGC 7727星系中心，隱藏着一對即將併合的超大質量黑洞。在華中科技大學物理學院教授雷衞華看來，這意味着，一場“宇宙車禍”在所難免，“傷亡”情況如何，可能需要億萬年的時間來觀測。

超大質量雙黑洞系統源於星系“碰撞”

“就像同星系中兩顆恆星會發生併合一樣，星系團中星系發生‘碰撞’的概率也很高。”雷衞華説，兩個天體相互碰撞的概率與它們分佈的密集程度有關，可以用兩個天體的平均距離與天體直徑的比值來反映，比值越大則分佈越稀疏，發生碰撞的概率就越小。

雷衞華介紹，對於太陽系內的行星而言，這個比值約為10萬，銀河系中恆星的這一比值約為百萬，而星系團內星系之間的平均距離大約僅是星系直徑的幾十倍，相對而言分佈更為密集，相互碰撞的概率更高。所以，星系相互碰撞在宇宙中十分普遍。

科學觀測表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬到百億倍太陽質量的超大質量黑洞。如通過觀測銀河系中心數十顆恆星的運動，利用恆星動力學方法，科學家測定銀心中存在一顆約400萬倍太陽質量的黑洞。

“越來越多的證據表明，每個星系中心都可能隱藏着一個超大質量黑洞。”雷衞華表示，早在2017年，天文學家便利用事件視界望遠鏡，首次拍攝到距離地球5600萬光年的M87星系中心超大質量黑洞（約60億倍太陽質量）的陰影。

雷衞華説，更大的新星系伴隨星系“碰撞”產生。星系中心將形成間距1到100千秒差距（1秒差距約為3.26光年）的超大質量雙黑洞系統。

目前，科學家觀測這類超大質量雙黑洞，主要是通過高分辨率多波段望遠鏡，對雙黑洞軌道進動導致的特性星系形態、稍小黑洞穿過大質量黑洞吸積盤時所產生的準週期性光變、雙黑洞產生的譜線雙峯結構以及雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等進行觀測。

超大質量雙黑洞系統的演化分為三個階段。首先，雙黑洞各自與其周圍物質和恆星相互作用，逐漸靠近；其次，通過動力學摩擦和拋射恆星等過程，雙黑洞距離進一步減小，但隨着周圍恆星被逐漸拋射掉，雙黑洞靠近變得越來越困難，形成“最終秒差距問題”（兩個黑洞的間距會在1秒差距後便無法再靠近），這可以通過考慮星系併合形成非球對稱物質分佈等方式解決；最後，如果兩顆黑洞靠得足夠近，其軌道演化將由引力波輻射主導，導致超大質量雙黑洞快速演化直至最終發生併合。

有助於瞭解銀河系與仙女座星系併合

雷衞華説，這次發現的超大質量雙黑洞，距離我們只有8900萬光年，是目前為止已發現的距離地球最近的超大質量雙黑洞系統。

在此之前，科學家探測到離地球最近的超大質量雙黑洞位於4.7億光年之遙的星系NGC 6240，比NGC 7727遠6倍左右。研究還發現，NGC 7727本身就是兩個小的漩渦星系在大約10億年前碰撞的結果。

雷衞華認為，NGC 7727離地球如此之近，為科學家提供了一個研究超大質量雙黑洞系統的絕佳機會。

通過高分辨率光譜觀測，科學家可以分辨出黑洞周圍的恆星動力學信息。研究人員首次直接測出這兩個超大質量黑洞的質量，分別為1.5億倍太陽質量和630萬倍太陽質量。同時，分辨出這兩個超大質量雙黑洞相距只有500秒差距（約1600光年）。

“這是首個利用動力學方法，確認間距小於千秒差距的超大質量雙黑洞系統。”雷衞華説。

間距如此之小，意味着NGC 7727中心超大質量雙黑洞將會很快併合。雷衞華介紹，這個“很快”是相對宇宙演化而言，實際上併合將發生於2.5億年後，大概相當於太陽系繞銀河系一週再次回到原點所需要的時間，“我們肯定是無法見證這一壯觀的併合過程了。”

事實上，科學家不止一次發現即將併合的超大質量雙黑洞系統，以及通過其他方式（多為利用雙黑洞導致的間接效應）發現的一些候選體，但因觀測的不確定性，這些候選體是否為超大質量雙黑洞本身就存在較多爭議，且這些候選體都離地球太遠，更難確定雙黑洞的間距以及併合時間。

雷衞華説，這次發現極具吸引力，一旦最終研究結果得以確認，將具有重要的科學意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處於最終通過引力波輻射而損失軌道角動量形成雙黑洞併合之前的階段，這個階段對研究超大質量雙黑洞系統演化至關重要。其自身藴含着豐富的電磁輻射現象，可能會出現如兩個明亮的X射線核或射電核、週期性光變、雙峯發射線等特徵。

同時，該發現也強烈暗示着，在本地宇宙中，存在很多類似這樣的超大質量雙黑洞等待我們去發現。研究這些系統，對我們瞭解未來銀河系與仙女座星系的併合幫助很大。

銀河系“車禍”不會殃及地球

科學家一致認為，雙黑洞併合的結果是在星系中心誕生一個質量更大的超大質量黑洞，這是黑洞增長形成超大質量黑洞的主要途徑。

雷衞華説，與恆星級雙黑洞併合一樣，星系中心超大質量雙黑洞的併合也會產生很強的引力波輻射。2016年，美國激光干涉引力波天文台首次直接探測到恆星級質量雙黑洞併合產生的引力波事件GW150914，開啓了引力波天文學新紀元。

雷衞華介紹，超大質量雙黑洞併合所產生的引力波頻率不在地面引力波探測器激光干涉引力波天文台的探測範圍。對於百萬太陽質量的超大質量雙黑洞併合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，這是未來空間低頻引力波探測器，如我國的“天琴”“太極”和歐洲LISA項目主要的探測對象。而幾億到幾十億太陽質量的雙黑洞併合產生的引力波頻率在極低頻（納赫茲到微赫茲），只能通過脈衝星計時陣列進行探測。

兩個星系相撞，會出現恆星“打羣架”的場景嗎？距離地球如此近，會對我們造成什麼影響嗎？“星系的併合對整個星系而言，並無毀滅性影響。”雷衞華肯定地説，星系中恆星之間的距離，相對恆星大小來説非常遙遠，兩個星系中恆星相互碰撞的概率極低，因此這類併合不會導致大量恆星對撞的災難場面。

他認為，銀河系與同處本星系團的仙女座星系併合尚且如此，距離8900萬光年的NGC 7727，就更加不用我們“操心”了。星系併合導致的超大質量雙黑洞併合除了產生較強的低頻引力波輻射，以及導致星系形態的變化之外，不會對地球構成影響。

超大質量雙黑洞在宇宙中存量很大，其產生的很多引力波因為太弱而無法分辨，這些信號疊加形成了引力波背景噪聲。科學家通過探測這些引力波背景噪聲，就可以估算出有多少超大質量雙黑洞正在向地球輻射引力波。

目前，天文學家已經觀測到不少黑洞併合的“宇宙車禍現場”。這種併合是星系增長的主要方式。研究表明，大質量星系可能是次級星系多次併合的結果。併合也是星系形態形成的原因。碰撞過程中，星系中的氣體壓縮，使得大量恆星快速形成，星暴星系由此形成。

同時，部分特殊形態的星系也可能由碰撞而來，如車輪星系可能是一個小星系垂直穿過一個大漩渦星系的結果。