太空中“共舞”的双黑洞_耀斑

较小的黑洞围绕较大的黑洞运行，大黑洞也被一盘气体包围。当较小的黑洞穿过圆盘时，会产生亮度超过1万亿颗恒星的耀斑（图源：N

• 满博成 供稿

4月28日，美国国家航空航天局（NASA）公布了天文学家最新观测到的OJ 287星系中双黑洞的“共舞”现象。其中较大的黑洞质量是太阳的180亿倍，是目前人类观测到最大的黑洞，而另一个黑洞的质量是太阳的1.5亿倍。

较小的黑洞每12年先后撞击两次大黑洞周围由气体尘埃组成的吸积盘，形成的耀斑比一万亿颗恒星还亮，甚至比整个银河系都亮。遗憾的是，因为距离遥远，碰撞发出的光需要35亿年才能到达地球，也就是说，我们看到的已经是过去的景象了。

人类对黑洞的探索

万有引力定律是艾萨克·牛顿爵士在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的，定律内容为：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。

这也是地球环绕太阳公转的根本原因，在黑洞强大的引力影响下，宇宙间的物质在向着它不断汇集，甚至连光都难以逃脱。同样，在大质量黑洞的引力下，小黑洞开始了轨道不规则的公转旅程。

万有引力定律（图源：beatricealforte）

人类对黑洞的研究由来已久。1783年，英国自然哲学家约翰·米歇尔在写给亨利·卡文迪什的信中就提出了这样的想法，他认为一个和太阳同等质量的天体，如果半径只有3公里，那么这个天体将是不可见的，因为它发出的光无法逃离其表面。

1939年，美国物理学家奥本海默基于广义相对论理论计算得出，一颗质量超过太阳质量3倍（奥本海默极限）而又没有任何热核反应的“冷恒星”，一定会在自身引力的作用下坍缩成为黑洞，也就是说该恒星已经成为死亡遗骸。

首张黑洞图片（图源: EHT）

2014年，霍金提出观点，由恒星爆炸产生黑洞是很不现实的，因为它们的质量不足以让其爆炸后坍缩形成黑洞，同时还提出了新的“灰洞”理论。该理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，会被重新释放到宇宙中。

新的“灰洞”理论能否挑战经典理论的地位还需要时间的检验，不过有一点可以肯定，由于万有引力的存在，小黑洞很可能会在一万年内被吞噬。

双黑洞系统的观测与研究

在本次发现的双黑洞系统中，小黑洞环绕大黑洞一圈的周期大约是12年。但是由于轨道不规则，小黑洞与大黑洞的吸积盘发生碰撞并产生耀斑的时间并不固定。有时耀斑出现的间隔只有一年，而有些时候则相隔数十年。

因此，科学家对轨道进行建模和预测耀斑发生的时间花费了几十年的时间。2010年，科学家们建立了一个模型，可以将耀斑发生的预测范围缩小到三周内。通过这个模型，他们成功预测了2015年12月出现的耀斑，从而证明了模型的可靠性。

双黑洞系统环绕示意图（图源：NASA）

2018年，印度孟买塔塔基础研究学院（Tata Institute Of Basic Research）的科学家进一步完善了这个模型，并且成功预测了2019年7月31日的撞击，此次撞击所产生的耀斑幸运地被同日进入观测窗口的NASA斯皮策太空望远镜捕捉到了。

斯皮策太空望远镜是目前人类所拥有的最灵敏的红外天文望远镜，它与哈勃望远镜同属美国大型轨道天文台计划，也是全球首个脱离绕地轨道并与地球同步运行的太空望远镜，这使其成为少数能在特定时间观测到太阳背面OJ 287星系的天文望远镜。

斯皮策太空望远镜（图源：NASA）

值得一提的是，这次碰撞的成功观测为科学家们研究“无毛定理”提供了依据。“无毛定理”是由史蒂芬·霍金等科学家在20世纪60年代提出的，该理论预测了黑洞“表面”的性质。虽然黑洞没有真实的表面，但科学家们认为黑洞周围有一个边界，超过这个边界，任何东西（包括光）都无法逃脱。

有观点认为，外缘即事件视界可能是起伏的，也可能是不规则的，但“无毛定理”假设“表面”没有这样的特征，甚至连头发都没有。换句话说，“无毛定理”认为黑洞的表面是光滑而对称的。

而在此次观测过程中，较小的黑洞恰好在科学家们预测的时间穿过了吸积盘，从而表明了OJ 287星系的超大质量黑洞是对称而平滑的。不过很可惜，在这一定理被证明的时候，霍金教授已经去世了。

参考文献：

1. https://www.nasa.gov/feature/jpl/spitzer-telescope-reveals-the-precise-timing-of-a-black-hole-dance