普林斯顿大学的科学家们发现两个超大质量黑洞在碰撞过程中相互碰撞

天文学家们发现了一对遥远的泰坦尼克黑洞，它们正在发生碰撞。

每个黑洞的质量都是太阳质量的8亿多倍。随着这两种物质在死亡螺旋中逐渐靠近，它们将开始在时空中发出涟漪般的引力波。这些宇宙波纹将加入到其他超大质量黑洞引力波的背景噪声中。即使在命中注定的碰撞发生之前，这对超大质量黑洞发出的引力波也会使之前由小得多的黑洞和中子星合并所探测到的引力波相形见绌。

“巨大的星系碰撞创造一些最极端的环境中我们知道,理论上也应该达到高潮在会议上两个超大质量的黑洞,这是非常令人兴奋的找到这样一个非常精力充沛的黑洞如此接近我们的哈勃太空望远镜的图像,”安迪·高尔丁说,助理研究学者在普林斯顿大学天体物理科学论文第一作者在7月10日在天体物理学杂志通讯》上。

“超大质量黑洞双星产生的引力波是宇宙中最大的，”纽约熨铁龙研究所计算天体物理中心的联合发现者和合作者Chiara Mingarelli说。来自超大质量黑洞对的引力波“比LIGO探测到的引力波大一百万倍。”

“当这些超大质量黑洞合并时，它们将产生一个比我们星系中心大数百倍的黑洞，”该论文的合著者、普林斯顿大学研究生克里斯·帕尔多(Kris Pardo)说。

这两个超大质量黑洞特别有趣，因为它们距离地球约25亿光年。由于在天文学中观察遥远的物体就像回顾时间一样，这对行星属于一个比我们的宇宙年轻25亿年的宇宙。巧合的是，天文学家估计黑洞开始产生强大引力波所需的时间大致相同。

在今天的宇宙中，黑洞已经在发射这些引力波，但即使以光速传播，这些波也要几十亿年才能到达我们这里。不过，这两个人仍然很有用。他们的发现可以帮助科学家估计有多少附近的超大质量黑洞正在发射引力波，我们现在就可以探测到。

探测引力波背景将有助于解答天文学中一些最大的未知问题，比如星系融合的频率有多高，超大质量黑洞对是否会完全融合，或者它们是否会陷入近乎无休止的绕彼此旋转。

“我们不知道超大质量黑洞是否会合并，这对天文学来说是一大尴尬，”普林斯顿大学天体物理学教授、论文合著者珍妮·格林(Jenny Greene)说。“对黑洞物理学的每个人来说，从观测上看，这是一个我们需要解决的长期难题。”

超大质量黑洞可以包含数百万甚至数十亿个太阳的质量。几乎所有的星系，包括我们的银河系，在它们的核心都至少有一个这样的庞然大物。当星系合并时，它们的超大质量黑洞相遇并开始相互环绕。随着时间的推移，当气体和恒星穿过黑洞并窃取能量时，这个轨道就会变紧。

然而，一旦超大质量黑洞离我们太近，这种能量盗窃就几乎停止了。一些理论表明，它们之间的距离约为1秒秒(约3.2光年)。这种放缓几乎无限期地持续下去，被称为“parsec的最终问题”。在这种情况下，只有由三个或更多超大质量黑洞组成的非常罕见的群体才会导致合并。

天文学家不能只寻找停滞不前的对偶，因为早在黑洞相距一秒之前，它们就太近了，无法作为两个独立的物体来区分。此外，它们不会产生强大的引力波，直到它们克服最后的parsec障碍，靠近。(在25亿年前观测到的这些新发现的超大质量黑洞，相隔约430秒。)

如果parsec的最后一个问题最终被证明不是问题，那么天文学家们预计宇宙中充满了超大质量黑洞对在合并过程中发出的引力波的喧嚣。古尔丁说:“这种噪音被称为引力波背景，有点像蟋蟀在夜晚发出的嘈杂声。”“你无法分辨一只蟋蟀和另一只蟋蟀，但噪音的大小可以帮助你估计有多少只蟋蟀。”

如果两个超大质量的黑洞相撞并结合，它会发出雷鸣般的“唧唧声”，使背景和声相形见绌——但“听到”它可不是件小事。

超大质量黑洞合并所产生的引力波，超出了LIGO和Virgo等实验目前可观测到的频率。LIGO和Virgo等实验已经探测到了小得多的黑洞和中子星的合并。寻找超大质量黑洞碰撞产生的更大引力波的科学家们依赖于一组叫做脉冲星的特殊恒星，它们的作用类似节拍器，以稳定的节奏发出无线电波。如果一个经过的引力波拉伸或压缩地球和脉冲星之间的空间，节奏就会轻微地偏离。

使用这些脉冲星定时阵列中的一个来探测引力波背景需要耐心和大量被监测的恒星。一个脉冲星的节奏在十年内可能只会被打乱几百纳秒。背景噪声越大，定时干扰越大，检测速度越快。

古尔丁、格林和团队中的其他观测天文学家用哈勃太空望远镜探测到了这两个泰坦。虽然像哈勃这样的光学望远镜无法直接观测到超大质量黑洞，但它们被明亮的恒星团和强大的引力吸引而来的温暖气体所包围。古尔丁说，在历史上的某个时期，这个新发现的超大质量黑洞对所在的星系“基本上是宇宙中最明亮的星系”。更重要的是，星系的核心正在喷出两股异常巨大的气体柱。当他们用哈勃望远镜观察它以发现它壮观的气体云的起源时，研究人员发现，这个系统包含的不是一个而是两个巨大的黑洞。

观测天文学家随后与引力波物理学家明加雷利和帕尔多合作，在引力波背景下解释了这一发现。这一发现为估计有多少合并的超大质量黑洞在地球探测距离之内提供了一个定位点。之前的估计是基于星系融合的计算机模型，而不是对超大质量黑洞对的实际观测。

根据这些数据，帕尔多和明加雷利预测，在乐观的情况下，附近大约有112个超大质量黑洞发射引力波。因此，第一次探测到来自超大质量黑洞合并的引力波背景应该在未来五年左右的时间内完成。如果不进行这样的检测，这将证明parsec的最终问题可能无法解决。该团队目前正在观察其他类似于新发现的超大质量黑洞双星所在星系的星系。找到更多的配对将有助于他们进一步完善预测。

“这是我们发现的第一个如此巨大的近距离黑洞的例子，但很可能还有更多的双黑洞有待发现，”合著者之一、普林斯顿大学天体物理科学系副主席迈克尔·施特劳斯教授说。“我们对合并黑洞的数量了解得越多，就能更好地理解星系形成的过程和引力波背景的性质。”

close-separation二进制的“发现类星体z∼0.2合并星系的核心及其对低频重力波的影响,”安迪·d·高尔丁,克丽丝帕尔多,珍妮·e·格林奇亚拉·m·f·明加莱利副总司长克里斯蒂娜Nyland和迈克尔•施特劳斯是7月10日发表在《天体物理学杂志通讯》上(DOI: 10.3847 / 2041 – 8213 / ab2a14)。该研究由美国国家航空航天局(钱德拉奖GO6-17094X和哈勃奖hst – go 14730.001- a)、美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目(授予dg -1656466)和西蒙斯基金会资助。

西蒙斯基金会(Simons Foundation)的托马斯•萨姆纳(Thomas Sumner)和普林斯顿大学通信办公室(Princeton University Office of Communications)的利兹•富尔-赖特(Liz Fuller-Wright)对这个故事有贡献。