四十多亿年前，一对黑洞上演了一场戏剧性的舞蹈。在气体和尘埃的漩涡中，这两个空洞螺旋式地越靠越近，危险地围绕着一个超大质量黑洞运行。然后，这两个较小的黑洞合并成一次如此强大的碰撞，以至于震动了空间本身的结构。当由此产生的引力波向地球传播时，合并后的黑洞像火箭一样反冲，加热了周围的气体，并产生了一道持续数周的耀眼闪光。
这个情景在一篇2020年6月发表在《物理评论快报》上的论文中提出。研究人员确切知道的是，在2019年5月21日，他们探测到两个黑洞碰撞发出的引力波。在随后的几周里，一道奇怪的闪光从天空的同一区域出现。如果闪光确实来自黑洞，那么这将是科学家首次看到黑洞合并后发出的光芒。
“我震惊了，”纽约市立大学皇后区社区学院的助理教授吉利安·贝洛瓦里说，她没有参与这项工作。“这个想法太棒了。它令人惊叹。”如果得到证实，这一发现为新兴的多信使天文学领域提供了一个新的方向。通过引力波和电磁辐射研究黑洞及其周围环境，科学家们有望比单独使用任何一种信号学到更多。
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长期以来，科学家们一直在争论，除了引力波之外，双黑洞合并是否会引发闪光。大多数研究人员都认为，在真空中碰撞的黑洞不会产生光。但是，一个活动星系核，其中超大质量黑洞的引力将气体和尘埃吸入巨大的吸积盘中，将为产生闪光提供完美的条件。“这是一种制造黑洞合并的全新方式，”纽约市熨斗研究所计算天体物理中心研究天体的基亚拉·明加雷利说，她没有参与这项研究。
考虑到这种可能性，研究人员转向了兹威基瞬变探测器（ZTF）。该设施位于加利福尼亚州帕洛马山天文台，每三个晚上拍摄整个北半球天空的照片，可以发现亮度的任何突然变化。该团队梳理了ZTF数据，寻找来自活动星系核的光芒，这些活动星系核靠近激光干涉引力波天文台（LIGO）先前探测到的黑洞合并事件。几乎在所有情况下，科学家们都一无所获。但在2019年5月合并事件之后，天空同一区域的一个活动星系核的亮度增加了一倍。研究人员评估了他们能想到的所有可能的闪光源，并得出结论，最可能的来源是合并后的黑洞。
尽管如此，他们警告说，他们不能确定他们的解释是正确的。尽管一些科学家热情高涨，但其他专家对研究人员的结论持高度怀疑态度。“我就是不明白他们怎么会用那种解释来写论文，”理论物理学家、哈佛大学黑洞倡议组织的创始主任阿维·勒布说。“这毫无意义。”
合并之谜
去年夏天的公告并不是天文学家第一次认为他们看到了合并黑洞发出的光芒。2015年，费米伽马射线太空望远镜探测到来自与LIGO探测到的第一个黑洞合并事件相同区域的微弱伽马射线爆发。该信号引发了一连串的猜测和相互竞争的解释。此后不久，勒布提出，这对黑洞是在一颗恒星内部合并的，然后这颗恒星提供了发射光线所需的气体。研究界对此仍然不相信。许多科学家最终承认，伽马射线爆发很可能是一个侥幸事件——来自某个与黑洞合并完全无关的独立背景物体的发射。
勒布仍然认为，在合适的条件下，合并黑洞可能会引发闪光。“但我对这种闪光是[合并]黑洞吸积的结果的说法有很大的疑问，”他说。天文物体的亮度通常有一个上限，称为爱丁顿光度。在某些情况下，这个极限可以超过数千倍。然而，在研究中提出的情景中，合并后的黑洞的光度约为爱丁顿值的10万倍。“这是闻所未闻的，”勒布说。
兹威基瞬变探测器的项目科学家、新论文的主要作者马修·格雷厄姆承认，如此大的光度将是前所未有的。但根据目前的知识，“这并非不现实。这并非超出可能性的范围，”他说。尽管对活动星系核中双黑洞的复杂相互作用进行可靠的计算机模拟尚不可行，但从过去的模拟中外推，格雷厄姆的团队确信他们对数据的解释是最合理的。
“理性的人可能会对此持有异议，但我们可以进行讨论，”该论文的合著者、纽约市立大学曼哈顿社区学院的天体物理学家巴里·麦克尔南说。如果闪光不是来自合并黑洞，它可能来自“非常非常不寻常的超新星，”该研究的合著者、同样来自曼哈顿社区学院的K. E.萨维克·福特说。另一种可能的来源是活动星系核的自然变异性，已知其亮度会随时间变化。勒布怀疑是前一种情况，而哥伦比亚大学的佐尔坦·海曼则倾向于后一种情况。鉴于闪光的强度和时间，这两种解释对于福特和麦克尔南来说似乎都极不可能——尽管并非不可能。
与2015年的伽马射线爆发不同，新的闪光使研究人员能够做出预测，这些预测很快将得到检验。根据他们的模型，至少有一个合并前的黑洞在快速旋转。“为了使我们的情景有任何意义，这是我们必须具备的条件，”麦克尔南说。该团队还估计合并后的黑洞的质量约为太阳质量的100倍。LIGO对引力波数据的完整分析将支持或驳斥这两种说法。此外，当合并后的黑洞绕超大质量黑洞运行时，它最终将重新进入吸积盘，引发另一次从地球上可见的闪光。该团队预计这种情况将在夏季的某个时候发生。
“我最兴奋的是这个具体的预测，”LIGO团队分析该事件引力波的成员卡捷琳娜·查齐伊安努说。“我正在等待看看事情会如何发展。”如果第二次闪光如预测的那样发生，它将开启活动星系核研究的新时代。
紫外线更新
除了黑洞本身的特性外，来自合并黑洞的闪光还可以揭示活动星系核中吸积盘的特性。从第一次闪光来看，格雷厄姆的团队估计了气体的密度和圆盘的厚度——这是仅凭引力波数据无法进行的计算。未来的闪光可能会提供关于活动星系核成分的其他线索，福特说，“这些对于我们理解宇宙中星系是如何形成的至关重要。”
但为了使多信使天文学蓬勃发展，天文学家必须更新他们的工具。尽管ZTF在可见光谱中探测到了闪光，但福特表示，来自其他黑洞合并的闪光在紫外线波长中更容易被发现。由于地球大气层吸收了大部分紫外线，使其无法到达地面天文台，因此科学家必须求助于太空望远镜。格雷厄姆说，美国宇航局的尼尔·格雷尔斯雨燕天文台是最佳候选者，但并非完美之选：雨燕最初旨在研究伽马射线爆发。而且它的视场比ZTF望远镜小得多。
天空中散布着少数其他对紫外线敏感的太空望远镜。然而，没有一个是寻找引力波之后的光闪光的理想选择。“长期以来，天文学界一直有点忽视紫外线，”纽约市立大学的贝洛瓦里说。“老实说，这是一个问题。”她和其他人希望新的研究将促使开发出具有大视场的紫外线望远镜。“拥有合适的卫星将花费大量资金，但我肯定会主张我们花这笔钱，”福特说。
目前，科学家们正在等待LIGO的结果和预测的第二次闪光。麻省理工学院的天体物理学家艾琳·卡拉发现黑洞合并理论“很诱人”。然而，在没有更多证据的情况下，她还不准备庆祝。“大自然会产生各种各样的疯狂事物，我们无法解释，”卡拉说。“很可能我们只是不够有创造力，无法思考所有可能导致这些闪光的事物。”