数百亿倍太阳质量的黑洞合并会怎样？天文学家：很快就能知道
老胡说科学2020-03-03 16:24
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当两个黑洞合并时，它们质量的很大一部分可以在很短的时间内转化为能量。上周，美国国家航空航天局钱德拉x射线天文台宣布了有史以来在宇宙中发现的最大的爆炸事件，创造了历史。在一个大约3.9亿光年远的星系团中，一个超大质量黑洞释放出一股射流，在星系空间中形成了一个巨大的空洞。产生这种现象所需的总能量是多少？5×10^54 焦耳，比自大爆炸以来看到的任何事件爆发出的能量都要多。
但宇宙中肯定存在另一类事件，它们可以在更短的时间内释放出更多的能量：两个超大质量黑洞的合并。虽然我们从未见过这样的事件，但这只是一个时间和技术的问题。到那时，记录将会被打破。
这个模拟展示了两个超大质量黑洞在一个真实的、富含气体的环境中合并的情景。如果合并的超大质量黑洞的质量足够大，那么这种事件可能是整个宇宙中能释放出能量最多的事件。在自然宇宙中有许多事件可以被认为是爆炸，大量的能量在短时间内被释放出来。一颗质量非常大的恒星在生命结束时将会爆炸，形成一颗II型超新星、黑洞或中子星。在它生命的最后几秒钟，它将释放大约10^44 J的能量，而超新星的能量将达到这个数字的100倍。
在很长一段时间里，超新星被用作测量其他灾变的标准。作为天空中最明亮的电磁事件，它们的亮度可照亮整个星系。
这张图显示的是超新星SN 1000+0216，这是迄今为止观测到的最远的超新星，而当时宇宙的年龄只有16亿年。唯一能与超新星释放的能量相匹敌或超过其能量的是伽马射线爆发事件，如星系或星系团的合并。在2010年代，我们发现了一些伽马暴的起源，即两颗中子星的合并。在引力波和电磁辐射之间，相当数量的质量(大约10^29千克)转化为纯能量，导致大约10^46 J的能量释放。
在另一个极端，活跃的星系和类星体的能量更大。大量的质量，可能是数百万甚至数十亿倍太阳质量的质量，会被汇集到一个超大质量黑洞中，在那里它会被撕裂、吸积并加速。发射出的物质和辐射能达到10^54 J。
但是宇宙给存在一种方式来释放更多的能量，而且是在更短的时间内。解开这个谜团的关键是在过去十年，当时美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)直接探测到了第一个引力波事件：两个正在合并的黑洞。在我们所见过的第一个黑洞中，两个质量不同的黑洞(分别相当于36个太阳和29个太阳的质量)合并在一起，形成了一个质量较小的最终状态黑洞(相当于62个太阳的质量)。
这是宇宙中的一件大事，许多科学家因发现引力波而获得了2017年的诺贝尔奖。在随后的几年里，人们发现了更多的黑洞合并。在所有的情况下，都观察到了同样奇异而迷人的现象：大量的质量在几毫秒的时间尺度内被转化为纯能量。
在一些星系的中心，可能存在超大质量的双星黑洞，产生的信号比图中显示的强得多，但LIGO对其频率并不敏感。关于黑洞合并，有两点特别有趣。
它们的光芒比宇宙中所有的恒星加起来都要亮，时间只有几分之一秒，但更大规模的合并会在更长的时间内产生最大的能量，释放出更多的总能量。对黑洞合并时释放的总能量做一个非常简单的近似：通过爱因斯坦的E = mc^2，约10%的黑洞质量转化为纯能量。迄今为止发现的第一个黑洞与黑洞的合并，释放出的总能量约为10^47 J，这发生在200毫秒左右的时间内。
上图的右图显示了星系核的红外线特写，这清楚地显示了两个独立的黑洞的存在。经过足够长的时间，这些黑洞将全部融合在一起。不是两个“恒星质量”的黑洞合并在一起，每个黑洞的质量都是太阳的十倍到几十倍之间，当它们融合在一起时，导致能量的最大释放。
特别是：
当两个星系合并时，由于其他质量之间的引力相互作用，它们的黑洞将优先向新的中心靠拢。与气体和其他正常物质的相互作用将在一段时间内占据主导地位，导致这些黑洞的轨道相对较小、周期较短。在最后的合并阶段，持续约2500万年，导致一个扩大的合并的场景，但这已经超出了LIGO的探测范围。
在已知的宇宙中最大的一对黑洞是OJ 287，它的引力波是LISA无法探测到的。当两个黑洞融合在一起时，它们相互的吸引导致了空间的变形，它们通过变形的空间的运动导致了引力辐射的发射，引力辐射将能量从黑洞系统中带到宇宙之外。既然我们知道黑洞的质量是太阳的数十亿倍，那么数亿倍太阳质量的黑洞与数十亿倍太阳质量的黑洞合并是不可避免的。
一个特别的系统，OJ 287，由一个1.5亿个太阳质量的黑洞组成，在一个约180亿个太阳质量黑洞的近距离轨道上运行。当它们合并时，大约3×10^54 J的能量会在几小时内释放出来。不幸的是，LIGO甚至LISA探测到的频率都是错误的。但是在合并之前，一种不同的技术可以揭示像这样的大型合并，尤其是当两个质量在大小上更接近的时候。
这张图显示，当时空受到波的扰动时，在时序阵列中所监测到的脉冲星。一个足够精确的激光阵列，原则上可以探测到引力波的量子性质。根据我们的估计，第一个正在喷发的超大质量黑洞应该可以在这个十年里被先进的脉冲星计时阵列探测到，比如NANOGrav、欧洲脉冲星计时阵列和帕克斯脉冲星计时阵列。随着这些超大质量黑洞合并，它们应该以可被探测到的幅度和可被观察到的频率发射引力波。
当我们检测到第一起黑洞合并时，持续不到200毫秒，在这段时间内，合并产生的能量比宇宙中所有恒星产生的能量加起来还要多。如果我们可以找到一个超大质量黑洞合并，它不仅会释放出更多的能量，还将成为最大的爆炸事件。
这幅图描绘了超大质量黑洞合并的各个阶段，以及科学家们认为随着事件的展开，将会出现的信号。但是很有可能会有很多这样的例子，特别是在星系团中，两个有着数十亿甚至几百亿太阳质量的黑洞会合并在一起。例如，两个最大的星系是NGC 4889和NGC 4874，前者拥有210亿个太阳质量的黑洞，后者拥有两倍多的球状星团，但它的黑洞质量未知。
当两个包含黑洞的超大质量星系合并时，我们也不会只通过引力波来探测。它们应该会发出电磁辐射的信号，特别是x射线，这将为同时研究引力波和电磁信号中的特大事件提供可能。我们可能最终会发现一个典型的例子，它有望成为宇宙中最具活力的事件。
当两个超大质量黑洞的轨道。关于黑洞合并最引人注目的事实之一是，引力波能量的最大发射率完全不依赖于它们的质量，而是由宇宙的基本常数决定的。黑洞质量越大，它们释放的能量就越多，但它们释放能量的时间更长。它们应该仍然代表着整个宇宙中最具能量的事件。
随着一系列仪器、探测器和新技术的不断改进，超大质量黑洞合并的第一个迹象可能会在这个十年的晚些时候被探测到，这将是引力波天文学的一个令人难以置信的发现。毫无疑问，超大质量的双黑洞合并是整个大爆炸后宇宙中最活跃的单一事件。第一次，它们可能终于在我们可探测到的范围内了。
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