电影《星际穿越》里有一个超大质量黑洞给人留下深刻印象，而现在本文作者及其同事发现了两个即将相撞的大黑洞。图片来源：《星际穿越》
看过《星际穿越》（Interstellar）的朋友一定对电影里的超大质量黑洞（supermassive black hole）印象深刻。现在，想象一下，如果电影里的超大黑洞不只有一个，而是两个，又是怎样一幅场景？我们的团队最近发现的，正是这样一对超大质量双黑洞，距离地球足有100多亿光年。我们是怎么发现它的？这个故事，要从超大质量黑洞本身开始讲起。
对天文学家和天体物理学家来说，这些质量大多为太阳的上百万甚至数十亿倍的庞然大物，仍充满了未解之谜。但它们一点都不罕见。我们目前观测到的所有大型星系的中央，都有这样的一个黑洞１。比如，银河系中央就有一个名为人马座A*（Sag A*）的黑洞。天文学家认为，这些黑洞与所在星系的形成和演化密切相关。
但大多数黑洞都并不“活跃”（Sag A*目前就不活跃）——它们处于一种相对安静的状态，默默地吸收（accrete）周围的气体物质，从而放出一些不那么耀眼的光芒。但是，如果一个黑洞处于它的“事业巅峰”，正以极快的速度和极高的效率吞噬物质，我们就称这个黑洞是“活动”的（active），构成了一个活动星系核（active galactic nucleus，缩写为AGN）。有些活动星系核放出的光２非常明亮，甚至在100多亿光年外的地球上也可以被观测到。
当然，当一个物体距离很远很远的时候，你便看不清它的具体形状，只能看见一个亮点了。这就是类星体（quasar）３这个名字的来源——它是一类离我们很远、核心又足够明亮（远远亮于它所在星系）的活动星系核，由于在望远镜的照相机看来，它和普通的星星没什么区别，最初被称为quasi-stellar object，也就是“类似恒星的天体”。
艺术家假想图：一个类星体中心的黑洞。盘状物体是黑洞的吸积盘。我们还可以看到黑洞产生的喷射流（其实是一对，图中只能看到一条），由外流物质在磁场作用下形成。图片来源NASA/JPL-Caltech
尽管看上去没什么区别，类星体和普通的星星４可完全不同，强大的黑洞是它的核心引擎。一颗恒星在它几百万年、几亿年，甚至更长的寿命中都几乎没什么变化，类星体却无时无刻不在变化，不管你盯着它看几分钟，还是几十年。对于这种变化的原因，天体物理学家有各种理论，主要认为这和吸积盘的不稳定有关。周围的气体物质围绕黑洞运动形成吸积盘，黑洞通过它吸收物质并辐射电磁波，因此吸积盘的不稳定使我们观测到了类星体在可见光波段产生的光变（variability）。如果把它的光强记录下来画在Y轴，观测的时刻画在X轴，这条光变曲线（light curve）看起来就会像股市K线图一样毫无规律５和节奏感。
但是，类星体有可能存在一种特别的、有规律的光变：当它中心的黑洞不是一个，而是一对时，受到两个黑洞相互绕转轨道运动的影响，这对双黑洞吸收物质的速率就会发生相应的变化——反映在光变曲线里，便会呈现出周期性的光变。
为什么我们认为会有双黑洞存在？这要从宇宙学和星系的演化说起：根据当今的宇宙学模型，小尺度的结构率先形成，于是宇宙早期先有了小型的星系；它们通过吸收星系之间的物质，以及与其他星系并合，渐渐成长为大型的星系——就好比一个小公司通过雇用员工，以及与其他公司合并，成为了一个大公司。星系的这种并合现象在宇宙各阶段和各处都有发生，我们已经见到了许多处于不同并合阶段的星系。
哈勃望远镜拍摄的一对正处于并合过程中的星系——著名的“触须”星系。图片来源：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration
当两个星系并合时，星系中心各自的黑洞也会渐渐靠近，成为新形成的更大星系的中心。当这对黑洞的距离足够近到受到对方引力作用的影响时，我们便把它们称为双黑洞。在一定的距离内，广义相对论预测，这对互相绕转的黑洞会辐射引力波（gravitational wave），而引力波开始在这个距离内取代其他过程，主导它们的轨道运动，加速并合，最终使两个黑洞相撞。
双黑洞在实际观测中极为少见，天文学家目前的主要研究方式是：逐个获取类星体的光谱（比如使用斯隆数字巡天SDSS的数据），寻找其中被认为与双黑洞有关的特征。至于引力波影响距离之内的双黑洞，更是无法从望远镜图像上辨认。而我们的团队采用的则是一种新的方法——在夜空中一定的面积内展开系统性的搜寻，寻找前面所说的周期性光变的类星体。
我们用来寻找这一信号的望远镜，位于美国夏威夷的茂伊岛（Maui）上，名为Pan-STARRS，全称Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System。（充满想象力的天文学家总爱给一个项目起巨长的名字，却又有一个好听的缩写名。这个项目的缩写名译成中文，大概可以称为“泛星”。）泛星的观测项目之一，便是在长达4年多的时间里，对它望远镜全部视野里的小范围夜空，每一季度像拍摄电影一样有计划、有规律地重复观测，由此得到成千上万个天体的光变曲线。
在7平方度大小（大约相当于大拇指在一臂远处的视觉大小）的天区里，对上百颗类星体进行搜寻之后，我们发现了周期性光变类星体的最佳候选者，一个名为PSO J334.2028+01.4075的类星体。（天文学家的想象力有时也会枯竭，因此对于为数众多以至于几乎数不清楚的天体，通常会以天体在天空中的坐标来给它们命名。）
双黑洞的艺术家假想图。图片来源：NASA
我们测量了它的光变周期，大约为542天，还利用光谱估算出了黑洞的质量之和，大约是太阳的100亿倍。我们还惊讶地发现，如果它确实是理论预测中的双黑洞，那么这两个黑洞的间距就仅有0.02光年，只有太阳和最近的另一颗恒星比邻星间距的1/200，近到足以令两者的运动受到引力波主导，甚至可能处在快速并合的过程当中——如果情况属实的话，这两个黑洞会在大约21年后相撞！
这是目前发现的间距最近的双黑洞候选者，也是一个潜在的引力波源。我们公布这一发现的论文，于4月14日在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上发表。我们所在的学院，即美国马里兰大学计算机、数学及自然科学学院，为此发布了新闻稿，还引起了来自《自然》、《美国国家地理》和果壳网等机构的科学记者的兴趣。
下一代的大型地基望远镜——大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope）已经开始建造，预计2023年前后启用。它的威力将是泛星的上千倍，在项目计划运转的10年时间里，将产生数以万计天体的光变曲线。科学家也开始利用遍布世界被称为脉冲星计时阵（Pulsar Timing Arrays）的射电望远镜阵，尝试观测双黑洞等密近双天体系统在空间中可能引起的广义相对论效应。科学家还设计建造了地面实验设备，例如激光干涉引力波观测台（LIGO），试图直接探测引力波。
或许不久，我们会发现更多类似于PSO J334.2028+01.4075的双黑洞候选者，甚至直接观测到来自黑洞并合的引力波信号。毕竟，就算是在我们作为人类的寿命当中，区区21年似乎也算不上是一段特别漫长的时光。
PS：说起双人舞，总是忍不住想到这个场景，该怎么破？
（编辑：Steed）
注释
- 出于简便，后文中的“黑洞”均指超大质量黑洞。
- 这里的“光”泛指电磁辐射，包括无线电到伽马射线等各个波段。同样，“明亮”是指辐射强度大。
- 后文中的内容将主要针对类星体，免于累赘、也因为我们的论文重点是类星体，但请注意，我描述的这些现象在活动星系核中也会有。
- 有些星是“变星”，有些星处在双星系统中，它们也都会随时间有规律地变化。
- 这种看上去的无规律其实可以用数学分析量化，类星体的光变和股市行情都可以用一种随机过程（stochastic process）来描述。
参考文献
- Tingting Liu et al. 2015 ApJ 803 L16 doi:10.1088/2041-8205/803/2/L16