我们的星系银河系正处于碰撞的过程中。大约四十亿年后，银河系及其大型邻近星系仙女座星系将开始螺旋式的引力舞蹈，经过数亿年的合并，形成一个更大的天体。
这种星系合并在宇宙中随时随地都在发生，它们是更大规模宇宙结构的重要组成部分。天体物理学家对这个非凡的过程有很多疑问，但其中一个谜团尤其引人入胜：当大型星系合并时，数十年的观测已经揭示潜伏在其中心的超大质量黑洞会发生什么？
从逻辑上讲，这些巨大的黑洞——每个都比我们的太阳重数百万到数十亿倍——也必然会碰撞和合并。这种合并可以将大量的物质导入黑洞，引发剧烈的宇宙物理爆发，从而塑造其宿主星系中的恒星形成和其他过程。但天文学家迄今为止只看到了这个漫长过程的快照，从黑洞仍然相距数十到数百光年的时候开始。合并的黑洞越接近，就越难将它们彼此区分开来，这使得理论家们想要理解这个过程如何运作变得更加模糊。
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现在，一个国际科学家团队宣布，在一项发表在《天体物理学杂志快报》上的新研究中，他们发现了两个靠近地球的活跃超大质量黑洞。据估计，这些黑洞的质量分别为太阳质量的 1.25 亿倍和 2 亿倍，它们位于距离我们约 5 亿光年的 UGC 4211 星系的中心，吞噬着气体和尘埃，这个星系仍然在从合并中恢复过来。
“这对黑洞真的令人兴奋，因为它们彼此如此接近，而且离我们如此之近，”该研究的作者之一、纽约市熨斗研究所和康涅狄格大学的天体物理学家基亚拉·明加雷利说。它们之间仅相隔约 750 光年或 230 秒差距，是科学家们通过测量多个波长的光所能确认的最接近的一对黑洞。这些黑洞与地球和彼此的接近程度可能为研究巨型黑洞合并的基本原理提供独特的机会，以及研究其最难以捉摸的副产品之一：时空中的涟漪，称为引力波。
该项目始于近 10 年前，当时天体物理学家迈克尔·科斯开始使用世界上最大的望远镜在天空中搜索“活跃”的超大质量黑洞对——即那些正在吞噬物质并喷射出强烈辐射的黑洞对。在检查了近 100 个天体后，他发现了 6 个实际上是隐藏的合并对。其中，UGC 4211 的一对显得比其他所有对都更接近。
“你可以看到它。我的意思是，字面上，你可以在[图像]上看到有两个源，”在加利福尼亚州尤里卡科学研究所工作的科斯说。高分辨率在一定程度上是可能的，因为 UGC 4211 离地球很近。
哥伦比亚大学的天文学家佐尔坦·海曼说，这篇论文“真正突破了”观测的极限，他没有参与这项研究。天文学家之前曾用射电望远镜观测到一对更接近的双黑洞。在这项新研究中，该团队使用来自多个不同望远镜的多波长数据证实了他们的发现——明加雷利说，这是一个重要的步骤，因为该领域过去曾出现过误报。“你只能在有限的波长范围内欺骗眼睛，”她说。该团队使用位于夏威夷的 W. M. 凯克天文台、位于智利的甚大望远镜和阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列，以及环绕地球运行的哈勃太空望远镜对该系统进行了研究。
UGC 4211 的两个黑洞被认为正处于合并的中途。随着它们扩展的宇宙二重奏的进行，这对黑洞将进一步靠近，因为周围的恒星和气体群会吸走它们的轨道动量。作者预测，这场舞蹈将在大约 2 亿年后结束，届时这两个超大质量黑洞最终将完全合并成一个。
“这似乎与我们的许多范式完全一致，所以这是一件好事。它没有打破天体物理学，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家杰里米·施尼特曼说，他没有参与最近的研究。
至少，目前情况是这样。关于怪物般的黑洞合并的机制，尤其是在后期阶段，当黑洞彼此非常接近以至于无法清楚区分时，仍然有很多未知之处。“一旦它们比现在更接近，达到秒差距或更小的距离，会发生什么仍然是一个非常大的问题，”西弗吉尼亚大学的天文学家莎拉·伯克-斯波拉尔说，她没有参与新的研究结果。
与她的许多同行一样，伯克-斯波拉尔对每次合并的最后阶段特别着迷，那时黑洞会以如此剧烈的方式螺旋式地结合在一起，以至于它们会撼动时空本身的结构，产生大量的引力波。在 2015 年首次探测到这种排放后——这一发现获得了诺贝尔物理学奖——天文学家现在经常使用专门的观测站研究这些来自合并黑洞的最后喘息声，这些观测站与聚光望远镜截然不同，就像耳朵与眼睛一样不同。然而，大多数研究都与比超大质量黑洞小得多的黑洞对有关。要收听来自宇宙中最大的合并黑洞的巨大引力波，需要新一代更先进的观测站，科学家和工程师们才刚刚开始建造。
回报应该是值得的：如此巨大的合并被认为是“引力波背景”的最常见贡献者，引力波背景是来自散布在整个可观测宇宙中的源头的时空涟漪的总和，尚未被探测到，但却印刻在整个天空中。明加雷利说，探测和绘制这个背景图将产生“超大质量黑洞的宇宙合并历史”以及其他大量对宇宙学至关重要的信息。如果研究人员最终设法瞥见宇宙的引力波背景，那么研究像 UGC 4211 这样的合并系统的细节可以帮助研究人员更好地理解他们所看到的东西。
科斯希望未来对 UGC 4211 的研究将特别富有成果，因为它离地球很近。这个系统更容易从我们在宇宙中的位置观察到，“就像你可以看到森林中附近的树叶，而不是远处的树叶一样，”他说。
这项发现还表明，可能存在比我们之前认为的更多的合并黑洞可供观测，因为科斯是从少于 100 个活跃黑洞的样本中发现它的。“总是有可能这项研究只是幸运，”伯克-斯波拉尔说。但即使这是一个侥幸，科学家们也将继续寻找更多例子来填补这个宇宙编舞的最后步骤。