一个遥远星系中心奇怪闪耀的物体可能是解开宇宙中最庞大黑洞如何合并之谜的关键。
超大质量黑洞的质量是太阳的数百万到数十亿倍，是宇宙中最重的重量级天体，它们潜伏在几乎每个大型星系的中心。尽管它们不发光，但这些物体在吞噬气体和尘埃时，仍然可以创造出壮观的天体烟火，产生高能粒子喷流和旋转的碎片盘，这些景象在整个宇宙中清晰可见，被称为活动星系核（AGN）。现在，科学家们在一个遥远的活动星系核中发现了一个耀斑，他们怀疑这是一个超大质量黑洞放大了附近另一个黑洞的辐射而产生的，这表明这对黑洞可能在未来10万年内合并。如果这两个黑洞确实即将合并，它们将为天文学家提供一个前所未有的机会，深入了解巨型黑洞究竟如何走到一起这个鲜为人知的过程。
2017年，天体物理学家丹尼尔·多拉齐奥和罗莎内·迪·斯特凡诺详细描述了一对即将合并的超大质量黑洞应该如何相互进行引力透镜效应，以及如果即将到来的合并的轨道平面与地球对齐，则可能看到的由此产生的信号。围绕黑洞的物质在加速向这对黑洞中的任何一个成员运动时，应该在X射线波长中发光。如果一个黑洞从另一个黑洞前方经过，“前景”黑洞巨大的、扭曲时空的引力场将像透镜一样发挥作用，放大背景光源。“这是一个非常独特的特征，”哈佛大学天体物理学中心和史密森学会的研究员迪·斯特凡诺说。
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10月，她和多拉齐奥与几位合作者一起，报告说发现了一个物体发出的信号与他们的理论预测相符。美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜在2011年收集的数据显示，一个不寻常的活动星系核有一个奇怪的尖峰。如果这个被称为“斯派基”的物体像多拉齐奥和他的同事预测的那样，在今年春天再次重复其耀斑，那将是他所谓的“确凿证据”，证实斯派基是一对即将合并的超大质量黑洞。哈佛大学天文学家多拉齐奥上个月在檀香山举行的美国天文学会会议上介绍了这项新的分析。
“最后秒差距问题”
当星系碰撞时，它们中心的超大质量黑洞最终会找到通往新形成的星系中心的路，并最终被拉到一起。对合并星系核心的观测显示，要么是一个单一的超大质量黑洞（大概是两个或更多黑洞已经合并的地方），要么是在彼此几个秒差距内（一个秒差距大约是3.26光年）轨道运行的黑洞。
“我们非常有信心，当两个星系合并时，它们所容纳的黑洞将彼此靠近到一秒差距之内，”麻省理工学院的天体物理学家斯科特·休斯说，他没有参与这项研究。
问题出现在最后的秒差距，在那里，引力不足以克服每个黑洞轨道运行的离心力，将这对黑洞拉得更近。如果没有稳定的物质流入来搅动，这两个黑洞可能会在合并前停下来，并在宇宙的生命周期内保持静止状态。这个“最后秒差距问题”不会影响较小的恒星质量黑洞对，它们可以通过大量发射引力波来释放多余的轨道能量，从而更容易合并。但较大的黑洞需要一些东西来推动它们越过最后的障碍，然后它们自身的引力波发射才能启动，到那时，最终的合并将不可避免。
“我们对最后秒差距内发生的事情没有很好的理解，”加州理工学院的宇宙学家马修·格雷厄姆说，他没有参与这项新研究。“我们有理论上的理解，但我们没有良好的观测证据来与理论相匹配。”至少，研究人员还没有这样的证据。
除了揭示数千颗系外行星外，开普勒还发现了数十个活动星系核。一项关于这些物体的2018年研究揭示，在一个名为KIC 11606854的活动星系核中存在异常的耀斑活动。更仔细的观察显示，耀斑的盈亏光线反映了一对合并的黑洞可能如何相互进行引力透镜效应的预测。你好，斯派基。
“最终结果非常幸运，”哈佛大学的研究生，报告斯派基发现的预印本论文的第一作者贝蒂·胡说。研究开普勒活动星系核的研究人员将信息传递给了多拉齐奥和他的同事，他们发现该信号与透镜模型“非常吻合”，迪·斯特凡诺说。
根据迪·斯特凡诺的说法，合并的黑洞可能各自被嵌入在一个更大的共享盘中的“迷你盘”环绕，该共享盘围绕这两个物体运行。迷你盘可能会随着黑洞吞噬它们而消散，但偶尔会被来自更大的外围盘的物质补充。每个吞噬迷你盘的黑洞都有一个有益的副作用，即释放额外的轨道能量，并使两个黑洞螺旋式地靠得更近，有可能克服最后秒差距问题。根据研究人员的模型，斯派基应该在未来10万年左右合并——这在天文时间尺度上只是一眨眼的功夫。
直到下一次
然而，仅凭一次耀斑不足以证实斯派基是一对合并的黑洞。多拉齐奥和他的同事已经在计划今年春天研究斯派基，以寻找更多证据。根据他们对这对黑洞轨道运行的最佳估计，他们初步确定下一次引力透镜事件最有可能发生在2020年4月。但是，胡说，挥之不去的不确定性意味着耀斑可能发生在2月到7月之间的任何时间。
该团队已经获得了美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台的时间，以观测预计在4月发生的耀斑，该耀斑应该持续大约10天。与此同时，研究人员正在继续使用地面仪器监测该系统。如果斯派基在4月之前开始活跃起来，他们希望能够捕捉到一丝迹象，以便调整他们使用钱德拉和其他设施进行的观测，以进行补偿。“我认为[多拉齐奥]在试图弄清楚所有可能的方式来跟踪这个系统方面做得非常出色，因为它是[合并黑洞]的最佳候选者，”迪·斯特凡诺说。
如果斯派基在今年春天显示出预测的耀斑，那将是一件大事。“如果它成立并且实际上是一个双星系统，我认为它将为我们提供一个案例，说明如果我们要寻找尚未合并的近距离双星系统，应该寻找什么，”休斯说。这样的例子应该使未来寻找合并的超大质量黑洞变得更容易。
这个结果对于欧洲航天局的激光干涉仪空间天线（LISA）任务来说将是好消息，该任务计划在2030年代的某个时候发射，以寻找超大质量黑洞发出的引力波。尽管斯派基可能不会在LISA的观测期内合并，但它可以让任务规划者更好地了解有多少合并的巨型黑洞在太空中等待着宇宙飞船去观测。
无耀斑的奇迹
再说，斯派基可能不会再次闪耀耀斑；也许它根本不是一对超大质量黑洞。根据格雷厄姆的说法，在过去几年中，已经出现了越来越多的关于潜在合并的超大质量黑洞的说法，但最终结果却是其他东西。
如果7月过去，但没有独特的信号迹象，那么最初的事件可能只是一个前所未见的，来自相对正常的活动星系核的耀斑类型。尽管仍然有一些其他的近合并超大质量黑洞的候选者等待确认，但未探测到信号将使合并黑洞的搜寻者几乎回到原点。
但是，未探测到信号并不一定意味着迪·斯特凡诺和多拉齐奥的模型是错误的。“这个过程一定会在宇宙中的某个地方发生，”迪·斯特凡诺说。只要两个黑洞彼此轨道运行，就应该发生引力透镜效应；这只是这对黑洞是否处于合适的方位，以便从地球上看到这种效应的问题。在他们的原始论文中，她和多拉齐奥预测，大约有10%的双星系统会处于适当的角度，让天文学家瞥见它们的引力透镜耀斑。
“如果斯派基不起作用，我们知道这个过程会发生，”迪·斯特凡诺说。“最终，我们应该能够探测到它，但我们可能不得不观察其他系统才能看到它。”格雷厄姆对此表示赞同。“这是一个概念上很棒的想法，”他说。“这些东西应该会产生透镜效应。”