[비즈한국] 2015年，物理学家通过LIGO探测器捕捉到了由数亿光年外两个黑洞合并所引发的时空震动。当时在时空中留下“引力波”这一涟漪的，是质量约为太阳20到30倍的恒星级黑洞的碰撞。
自那以后，包括LIGO在内的许多引力波探测器捕捉到了各种恒星级黑洞的碰撞。然而，这些都只是质量仅为太阳几十倍的小型轻量级恒星级黑洞。栖息在星系中心的，是更为巨大、等级无法相比的超大质量黑洞。它们拥有相当于太阳质量数百万甚至数十亿倍的巨大质量。这类超大质量黑洞是如何形成的，它们是否真的在星系碰撞过程中不断拉近距离最终相撞，这些谜团至今尚未完全解开。
然而，詹姆斯·韦布空间望远镜成功捕捉到了有史以来最遥远宇宙中发生的一对超大质量黑洞的碰撞现场！这一景象发生在大爆炸后仅7.4亿年的极早期宇宙。距离现在足足有130亿年！这一发现可能为揭示早期宇宙中星系中心的超大质量黑洞是如何演化增长的提供重要线索。
在星系中心的超大质量黑洞周围，强大的引力捕获了大量物质。这些物质以极高的速度盘旋并被加热，这就是黑洞周围的吸积盘。吸积盘可以被加热到极高的温度，从而使周围的氢原子处于高度激发状态，并在特定波长下发出明亮的光。关键点在于，黑洞周围的吸积盘并非静止不动，而是在以极高的速度旋转。
由于这种高速旋转，从地球观测到的吸积盘氢光谱发射线会产生多普勒效应，导致波长变短或变长。从地球视角看，向远离地球方向运动的盘面部分，其光谱会向较长波长偏移；而向地球靠近方向运动的盘面部分，其光谱则向较短波长偏移。
如果吸积盘是静止的，观测到的光谱将会是在特定波长处出现明显信号的尖峰状。但由于吸积盘在快速旋转，光谱会呈现出向前后波长展宽的形态。这种现象被称为光谱线展宽。吸积盘的旋转速度越快，线展宽的程度就越明显。
拥有吞噬大量物质并喷射巨大能量的中心黑洞的活动星系，表现出非常独特的光谱形态。环绕星系中心黑洞极近距离的区域旋转速度极快，因此会观测到非常平坦且宽阔的增宽谱线。相反，当进入远离星系中心黑洞的区域时，氢云的旋转速度减慢，光谱线展宽的幅度也会变窄。特别是处于活跃成长期的活动星系，同时具有宽谱线和窄谱线两种特征。
在本次詹姆斯·韦布的观测中，天文学家捕捉到了一个推测存在于约130亿年前早期宇宙的模糊原始星系——Zs7。观测组利用詹姆斯·韦布的分光观测仪器NIRSpec对该星系中心进行了观测。值得一提的是，这次观测没有使用将整个星系光谱混在一起的传统方式，而是采用了更清晰地分辨图像中每一个像素光谱的方法，这种技术被称为集成视场单元（IFU）。
利用这一技术，不仅可以推断整个星系中诞生了多少恒星以及黑洞的活跃程度，还能以更高的分辨率区分并掌握星系内部各个区域恒星的诞生数量以及黑洞的活跃程度。
天文学家在Zs7星系中心确认了同时表现出宽谱线和窄谱线的独特光谱形态。令人惊讶的是，这种光谱形态并非只在一个地方观测到，在距离星系中心一定距离的两个点也发现了同样的情况！在图片中星系中心右上方的位置，可以清楚地看到同时呈现出宽谱线和窄谱线两种形态的氢光谱数据。相反，在图片中星系的正中心，则只确认到了窄谱线形态的氢光谱。
基于此，天文学家推断该星系中心至少有两个超大质量黑洞共存。一个位于星系中心，另一个则位于稍微偏离中心的位置。利用同时显示宽窄谱线的观测数据，可以推算出星系中心黑洞的质量。天文学家推测，那个稍微偏离中心的超大质量黑洞的质量约为太阳的5000万倍。这比我们银河系中心约400万倍太阳质量的黑洞要重10倍以上！这表明在宇宙年龄仅7亿年的极早期，宇宙中就已经存在比我们银河系中心还要重的超大质量黑洞了。
两个如此巨大的超大质量黑洞聚集在近距离内，据推测是因为在早期宇宙中两个星系发生了碰撞，导致各自携带的超大质量黑洞正在合并。当然，超大质量黑洞的碰撞和合并过程仍有许多未解之谜。与较轻的恒星级黑洞碰撞相比，超大质量黑洞碰撞的结局尚不明确。因为存在“最终秒差距问题”（final parsec problem），即当两个超大质量黑洞靠近到一光年以内的距离时，它们的轨道可能不再收缩，而是维持稳定的轨道，最终无法完成合并。因此，这些居住在星系中心的重型黑洞是否真的通过相互合并来增加体量，尚不确定。
自2015年首次观测以来，人类利用全球各地安装的引力波探测器，一直在探测数亿光年外较轻的恒星级黑洞碰撞。当碰撞留下的时空震动跨越数亿年传播到地球周围时，通过检测时空的细微震动来验证引力波的存在。这就像姜太公在海面上垂钓，等待鱼儿咬钩。现在，我们正享受着不仅仅通过经典的电磁波（光），还通过引力波这一新波长观测宇宙的全新时代。
但目前仍有限制。在地球上安装的引力波“渔网”或“鱼竿”的大小，终究不能超过地球。为了探测来自更遥远宇宙、更为微弱的时空震动，需要比地球规模更大的引力波探测网。因此，天文学家正在准备2035年发射LISA任务，这是一个走出地球、在环绕太阳轨道上进行编队飞行的空间引力波探测器。为了验证LISA的技术可行性，前期工作“LISA探路者”已经取得了部分成功，计划正顺利进行中。
如果该任务顺利实施，人类将进入一个不仅能探测相对近距离恒星级黑洞碰撞，还能探测数十亿年前早期宇宙中超大质量黑洞碰撞所留下的引力波痕迹的时代。随着探测器灵敏度的提升，我们将感受到一个怎样波涛汹涌的宇宙？其实宇宙各地已经在频繁发生大大小小的黑洞碰撞，导致时空整体呈现出复杂的动荡。只是因为那种震动过于微弱，让我们觉得宇宙的时空依然平静。但如果不久之后，我们能架起能够感知更灵敏震动的“鱼竿”来感知宇宙，那么宇宙将不再是一个寂静平和的世界。
通过这些观测，我们或许能获取关于从早期宇宙到今天，星系中心的重型超大质量黑洞究竟如何获得现在的巨大体量，以及它们碰撞合并的最终结局究竟会如何等一系列未解之谜的关键线索。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/355/7671512
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给大众。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室研究星系通过相互作用进行的演化，同时参与讲座和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天想宇宙》、《星，光的科学》等书籍。