银河系中心黑洞碰撞在即，时空涟漪揭示——华尔街日报

艺术家绘制的受双黑洞合并产生引力波影响的脉冲星示意图。插图：Aurore Simonnet/NANOGrav全宇宙的超大质量黑洞正在不断合并，这种命运终将降临在我们银河系中心的黑洞身上。

这些位于几乎每个星系核心的神秘宇宙结构吞噬着光和物质，传统望远镜无法窥见其真容。

但如今，天体物理学家首次以引力波形式直接从这些巨兽身上获取信息——这些时空涟漪揭示，正在合并的大质量黑洞双星系统数量高达数十万甚至数百万个。这些合并事件产生的引力波共同构成了宇宙的基础背景嗡鸣，研究人员可从地球探测到这一信号。

这项由百余名科学家合作完成的研究成果，有助于证实银河系中心超大质量黑洞（人马座A*）未来与仙女座星系核心黑洞相撞时将发生的场景。

“银河系正与仙女座星系处于碰撞轨道上，约45亿年后两者将发生合并，“科罗拉多大学博尔德分校天体物理学家约瑟夫·西蒙表示。作为美国国家科学基金会支持的北美纳赫兹引力波天文台（Nanograv）成员，他参与了这项新研究的主导工作。

他表示，那次合并最终将导致仙女座中心黑洞与人马座A*沉入新合并星系的中心，形成所谓的双星系统。这些结果于周三发表在《天体物理学杂志通讯》的一系列论文中。

“此前，我们甚至不知道超大质量黑洞是否会合并，现在我们有了证据表明数十万个黑洞正在合并，”耶鲁大学天体物理学家、Nanograv成员基亚拉·明加雷利说。

研究人员表示，这项新研究可以回答诸如这些黑洞如何增长以及它们的宿主星系合并频率等问题。

“这些是我们宇宙中最疯狂的天体之一，”西雅图华盛顿大学的物理学家玛莎·巴里亚克塔尔说，她并未参与这项研究。“关于它们如何变得如此巨大，目前还没有共识。”

巴里亚克塔尔表示，如果科学家们能更多地了解超大质量黑洞合并的历史，可能有助于揭示它们最初是如何形成的。

这些发现的关键在于探测难以捉摸的引力波，并理解它们是如何产生的。

波多黎各的阿雷西博望远镜曾用于观测脉冲星的无线电波时间，直到2020年坍塌。图片来源：阿雷西博天文台/美国国家科学基金会任何有质量的运动物体都会产生这些波——时间和空间中不可见的扭曲，阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首次提出这一理论，但直到大约100年后才被探测到。（想象一下宇宙像一个蹦床，当保龄球在表面滚动时产生涟漪。）2015年，科学家们使用地面激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到来自较小质量黑洞合并产生的短而高频的引力波如何使地球晃动，幅度小于一个亚原子粒子的宽度。这一努力为他们赢得了诺贝尔奖。

威斯康星大学密尔沃基分校物理学家莎拉·维格兰负责纳赫兹引力波搜索项目，她表示LIGO能够探测到中子星等短时间尺度碰撞天体产生的引力波。

“你会接收到一阵引力波爆发，然后信号就消失了，“她说。

该天文台无法探测来自更大质量天体、变化周期更长（数月到数十年量级）的低频引力波。因此作为国际联盟成员（包括在欧洲、亚洲和澳大利亚开展类似研究的团队），纳赫兹引力波研究组决定采用不同方法来测量这些时空涟漪：追踪它们如何干扰被称为"宇宙灯塔"的脉冲星辐射。

未参与此项研究的哥伦比亚大学天体物理学家斯拉夫科·波格丹诺夫指出，脉冲星实质上就像宇宙时钟。这些恒星遗骸每秒旋转数百次，以固定间隔发射射电波，可被地球上的射电望远镜探测到。

由于这些射电脉冲的规律性可以极其精确地计算，它们到达地球时间的任何偏差——无论是稍早还是稍晚——都可归因于引力波效应，进而计算出引力波的强度和来源。

维格兰表示，15年来纳赫兹团队利用波多黎各阿雷西博天文台、西弗吉尼亚绿岸望远镜和新墨西哥超大阵列，持续观测银河系内脉冲星的射电波计时信号。

“我们定期监测脉冲星，大约每月一次，”她说道，并补充说这些发现包含了来自68颗脉冲星的数据。

西蒙表示，虽然15年收集数据看似漫长，但这样的时间跨度对于测量来自超大质量黑洞的缓慢起伏引力波是必要的。他指出，这些如钟表般旋转的恒星发出的脉冲到达时间在十年间仅变化数百亿分之一秒。

博格丹诺夫称，在数据集中发现并添加更多脉冲星对于提高引力波探测的灵敏度至关重要。科罗拉多大学博尔德分校天体物理学家、纳诺引力波项目成员朱莉·科默福德表示，宇宙中还有其他产生引力波的现象尚未被探测到。她提到，其中一个可能的来源是大爆炸本身产生的时空涟漪。

科默福德解释说，约140亿年前，早期宇宙存在大量曲率，有点像皱巴巴的毯子，随后以光速或更快的速度膨胀、延展并变得平滑。

“因此我们可以观测到该过程残留的引力波，”她表示。

联系艾琳·伍德沃德请致信[email protected]

本文发表于2023年6月29日印刷版，标题为《银河系黑洞处于碰撞轨道》。