十年之内将会观测到特大质量黑洞合并所发出的引力波

10年之内，地球将会观测到两个特大质量黑洞合并所产生的引力波。...

用不了多久，天文学家就将第一次目睹宇宙中最大类型的黑洞合并。11月13日发表于《自然·天文学》杂志的新研究报告预测说，10年之内，地球将会观测到两个特大质量黑洞合并所产生的引力波。这是第一次使用实际观测数据进行的研究，本次研究没有使用计算机模拟技术，该研究预测了观测发现引力波的大概时间。

体积约为草帽星系大小的星系正在上演一对特大质量黑洞合并的好戏，天文学家将能够一饱眼福。这个帽子形状的星系如此之大，星系中正在合并的黑洞将会产生可以观测到的引力波，但也没有那么大，其黑洞不会迅速完成合并。

“这两个特大质量黑洞合并所产生的引力波将会是宇宙中最为强烈的。”

本项研究首席作者、纽约市西蒙斯基金会熨斗研究所计算天体物理学中心研究员基娅拉·明格雷利说：“同本次发现结果相比，激光干涉重力波天文台于2016年2月第一次发现的黑洞合并引力波要小很多。”

明格雷利说，本次发现的特大质量黑洞合并将能够推动科学家进一步认识巨型星系及黑洞演化的方式。她说，从另一方面来看，如果十年之内没有观测到引力波，我们就不得不重新思考，黑洞到底会不会合并，到底如何合并。

西蒙斯基金会是由詹姆斯·H·西蒙斯创建的，基金会专注于资助基础科学研究。西蒙斯被金融时报评为地球上最聪明的亿万富翁，而西蒙斯基金会也被称为最注重基础科学研究的基金会。熨斗研究所就是该基金会设立的基础研究所之一。解释一下，熨斗这个名字没有什么特殊含义，只是因为研究所所在的位置是纽约市一个名为“熨斗”的社区。

特大质量黑洞存在于巨型星系中央，我们的银河系中央也存在着黑洞，这些类型黑洞的质量大约为太阳的百万倍，甚至是10亿倍。对比来看，进行合并产生引力波并被人类观测到的这些黑洞，其质量仅为太阳的数十倍。

特大质量黑洞

两个星系碰撞合并时，星系中的特大质量黑洞会漂移到新形成星系的中央。科学家预测，随着时间推移，这些特大质量黑洞将会相互靠近并最终合并。合并过程将会产生强烈的引力波，产生之后，引力波将如涟漪一般，在宇宙时空中荡漾。

这些引力波极为强烈，其波长超过了激光干涉重力波天文台以及位于意大利比萨市卡希纳的室女座大型引力波探测器所探测到的引力波波长。本次特大质量黑洞合并产生的引力波观测，将会利用被称为宇宙节拍器的脉冲星。

脉冲星是一种快速旋转的星体，能够按照稳定节律释放出无线电波脉冲。引力波在穿越宇宙时空时，会对地球与脉冲星之间的空间形成拉伸及挤压效应，导致无线电波脉冲的稳定节律发生改变。这种改变能够被地球上的脉冲星观测计划所发现。

脉冲星能够按照稳定节律释放出无线电波脉冲

目前有三个计划正在观测着地球附近脉冲星无线电波的时间节律，这三个计划是：澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列、北美毫微赫兹引力波观测天文台、欧洲脉冲星计时阵列。这三个计划合在一起组成了国际脉冲星计时阵列。

这些观测计划需要多长时间才能够第一次通过脉冲星计时观测到特大质量黑洞合并？

明格雷利及其同事对此进行了预测。研究小组将临近星系进行了分类，重点研究了可能存在两个特大质量黑洞的星系。研究人员将这些信息同临近脉冲星星图结合在一起，第一次预测了可能观测到引力波的时间。

“如果你认真考虑天空中脉冲星的位置情况，你可以百分之一百地发现，可能观测到引力波的时间基本就在十年之内。”

明格雷利说：“只要你选中研究的临近星系中至少存在一对特大质量黑洞，这个预测结论大致就不会有问题。现在的观测证据表明大质量星系中心几乎都有黑洞，所以说十年之内问题不大。”

我们最有可能在哪一个星系中观测到特大质量黑洞合并？

星系越大，黑洞就越大，合并产生引力波就越强。但是，越大的黑洞其合并速度就越快，给我们留下的引力波观测时间窗口就越小。例如，像室女座的M87椭圆星系一般大小的黑洞合并可在400万年时间内持续产生可观测引力波，像草帽星系一般大小的黑洞合并仅能在160万年时间内持续产生可观测引力波。

明格雷利说，如果能够成功观测到引力波，天体物理学家将能够更好地认识和了解星系合并中央的天体物理学原理，也能够为无法通过其他方法研究的基础物理学研究提供新的研究途径。观测发现的特大质量黑洞对数量，还能够用于测定星系合并的发生概率，为宇宙演化研究提供一个新的重要测量方法。

如果没有观测发现特大质量黑洞合并，其原因可能是两个黑洞的环绕轨道缩短到大概3光年（或1个秒差距）后，就没有办法再缩短了。这便是大名鼎鼎的 “最终秒差距问题”。两个黑洞随着时间推移，轨道变化，发出引力波，能量消耗而逐步靠近，但这一过程耗时可能比宇宙的年龄还长。