銀河系中心黑洞碰撞在即，時空漣漪揭示——華爾街日報

藝術家繪製的受雙黑洞合併產生引力波影響的脈衝星示意圖。插圖：Aurore Simonnet/NANOGrav全宇宙的超大質量黑洞正在不斷合併，這種命運終將降臨在我們銀河系中心的黑洞身上。

這些位於幾乎每個星系核心的神秘宇宙結構吞噬着光和物質，傳統望遠鏡無法窺見其真容。

但如今，天體物理學家首次以引力波形式直接從這些巨獸身上獲取信息——這些時空漣漪揭示，正在合併的大質量黑洞雙星系統數量高達數十萬甚至數百萬個。這些合併事件產生的引力波共同構成了宇宙的基礎背景嗡鳴，研究人員可從地球探測到這一信號。

這項由百餘名科學家合作完成的研究成果，有助於證實銀河系中心超大質量黑洞（人馬座A*）未來與仙女座星系核心黑洞相撞時將發生的場景。

“銀河系正與仙女座星系處於碰撞軌道上，約45億年後兩者將發生合併，“科羅拉多大學博爾德分校天體物理學家約瑟夫·西蒙表示。作為美國國家科學基金會支持的北美納赫茲引力波天文台（Nanograv）成員，他參與了這項新研究的主導工作。

他表示，那次合併最終將導致仙女座中心黑洞與人馬座A*沉入新合併星系的中心，形成所謂的雙星系統。這些結果於週三發表在《天體物理學雜誌通訊》的一系列論文中。

“此前，我們甚至不知道超大質量黑洞是否會合並，現在我們有了證據表明數十萬個黑洞正在合併，”耶魯大學天體物理學家、Nanograv成員基亞拉·明加雷利説。

研究人員表示，這項新研究可以回答諸如這些黑洞如何增長以及它們的宿主星系合併頻率等問題。

“這些是我們宇宙中最瘋狂的天體之一，”西雅圖華盛頓大學的物理學家瑪莎·巴里亞克塔爾説，她並未參與這項研究。“關於它們如何變得如此巨大，目前還沒有共識。”

巴里亞克塔爾表示，如果科學家們能更多地瞭解超大質量黑洞合併的歷史，可能有助於揭示它們最初是如何形成的。

這些發現的關鍵在於探測難以捉摸的引力波，並理解它們是如何產生的。

波多黎各的阿雷西博望遠鏡曾用於觀測脈衝星的無線電波時間，直到2020年坍塌。圖片來源：阿雷西博天文台/美國國家科學基金會任何有質量的運動物體都會產生這些波——時間和空間中不可見的扭曲，阿爾伯特·愛因斯坦在1916年首次提出這一理論，但直到大約100年後才被探測到。（想象一下宇宙像一個蹦牀，當保齡球在表面滾動時產生漣漪。）2015年，科學家們使用地面激光干涉引力波天文台（LIGO）探測到來自較小質量黑洞合併產生的短而高頻的引力波如何使地球晃動，幅度小於一個亞原子粒子的寬度。這一努力為他們贏得了諾貝爾獎。

威斯康星大學密爾沃基分校物理學家莎拉·維格蘭負責納赫茲引力波搜索項目，她表示LIGO能夠探測到中子星等短時間尺度碰撞天體產生的引力波。

“你會接收到一陣引力波爆發，然後信號就消失了，“她説。

該天文台無法探測來自更大質量天體、變化週期更長（數月到數十年量級）的低頻引力波。因此作為國際聯盟成員（包括在歐洲、亞洲和澳大利亞開展類似研究的團隊），納赫茲引力波研究組決定採用不同方法來測量這些時空漣漪：追蹤它們如何幹擾被稱為"宇宙燈塔"的脈衝星輻射。

未參與此項研究的哥倫比亞大學天體物理學家斯拉夫科·波格丹諾夫指出，脈衝星實質上就像宇宙時鐘。這些恆星遺骸每秒旋轉數百次，以固定間隔發射射電波，可被地球上的射電望遠鏡探測到。

由於這些射電脈衝的規律性可以極其精確地計算，它們到達地球時間的任何偏差——無論是稍早還是稍晚——都可歸因於引力波效應，進而計算出引力波的強度和來源。

維格蘭表示，15年來納赫茲團隊利用波多黎各阿雷西博天文台、西弗吉尼亞綠岸望遠鏡和新墨西哥超大陣列，持續觀測銀河系內脈衝星的射電波計時信號。

“我們定期監測脈衝星，大約每月一次，”她説道，並補充説這些發現包含了來自68顆脈衝星的數據。

西蒙表示，雖然15年收集數據看似漫長，但這樣的時間跨度對於測量來自超大質量黑洞的緩慢起伏引力波是必要的。他指出，這些如鐘錶般旋轉的恆星發出的脈衝到達時間在十年間僅變化數百億分之一秒。

博格丹諾夫稱，在數據集中發現並添加更多脈衝星對於提高引力波探測的靈敏度至關重要。科羅拉多大學博爾德分校天體物理學家、納諾引力波項目成員朱莉·科默福德表示，宇宙中還有其他產生引力波的現象尚未被探測到。她提到，其中一個可能的來源是大爆炸本身產生的時空漣漪。

科默福德解釋説，約140億年前，早期宇宙存在大量曲率，有點像皺巴巴的毯子，隨後以光速或更快的速度膨脹、延展並變得平滑。

“因此我們可以觀測到該過程殘留的引力波，”她表示。

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本文發表於2023年6月29日印刷版，標題為《銀河系黑洞處於碰撞軌道》。