第一次觀測到超大質量的黑洞合併，激動人心的時刻

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當兩個黑洞合併時，它們的質量的很大一部分可以在一個... ...中轉換為能量。 美國宇航局的戈達德太空飛行

上週，美國宇航局錢德拉X射線天文臺宣佈了宇宙中發現的最活躍的爆炸事件，從而創造了歷史。在距地球3.9億光年遠的星系團中，一個超大質量的黑洞發射出了一股噴射流，在該星系團的星際空間中形成了一個巨大的空腔。產生此現象所需的能量總量=5×10的54次方J：比大爆炸以來發生的任何事件都要多的能量。

但是，宇宙中肯定存在另一類事件，它可以在更短的時間內輸出更多的能量：兩個超大質量黑洞的合併。儘管我們從未見過這樣的事件，但這只是時間和技術問題，直到他們展示自己。當這種情況發生時，舊的記錄將被打破。就是這樣。

此模擬顯示了兩個超大質量黑洞在逼真的圖像中合併而成的兩個靜止圖像，天然氣豐富的環境。如果合併的超大質量黑洞的質量足夠高，則這些事件是整個宇宙中最活躍的單個事件，這似乎是合理的。

在自然宇宙中，有很多事件可以看作是爆炸或災難，在短時間內會釋放大量能量。一顆壽命很長的巨大恆星將在災難性II型超新星中爆炸，產生黑洞或中子星，成為恆星屍體。在其生命的最後幾秒鐘內，它將釋放約10的44次方J的能量，超新星（或超發光超新星）的能量可達該數量的100倍。

長期以來，超新星被用作測量所有其他大災變的標準。作為天空中最明亮的電磁事件，它們可能會超過整個星系，這取決於它們的單個亮度和所討論星系的整體質量。

超光超新星SN 1000 + 0216的插圖，這是有史以來觀測到的最遙遠的超新星距離宇宙只有16億年的歷史，其z = 3.90的紅移是目前單個超新星的距離記錄保持者。就亮度而言，它很容易勝過整個星系。就力量而言，它可以短暫地與宇宙中的大多數星星競爭。

ADRIAN MALEC和MARIE MARTIG（斯威本大學）

唯一可以與超新星釋放的能量相媲美甚至超過的能量，就是伽馬射線爆發或更大範圍的擴展事件，例如合併的星系或星系團，或者超大量質量的黑洞。在2010年代，我們發現了至少一些伽馬射線爆發的起源：千伏新星或兩個中子星的合併。在引力波和電磁輻射之間，大量的質量（約10的29次方kg）被轉化為純能量，從而釋放出約10 的46次方 J 的能量。

另一方面，活躍的星系和類星體可能更加活躍。巨大的質量，可能媲美數百萬甚至數十億的太陽質量，可以集中到一箇中心的超大質量黑洞中，在那裡黑洞被撕裂，積聚和加速。儘管物質和輻射的發射時間約為一百萬年（或更長時間），但它們總共可以達到約10的54次方J的能量。

Pictor A的X射線/放射線複合圖像的帶註釋的版本，顯示了對射，高溫現貨和其他許多引人入勝的功能。相對論性噴氣機由一個活躍的星系提供動力，它發出大量的能量，但是要經過很長的時間（約10 ^ 6年），而不是一次全部。

X射線：NASA / CXC /赫特福德郡大學/M.HARDCASTLE等，電臺：CSIRO / ATNF / ATCA

這是一個巨大的成就，由於發現了引力波，許多科學家獲得了2017年諾貝爾獎。在隨後的幾年中，發現了更多的黑洞-黑洞兼併和將要兼併的情況，到目前為止（迄今為止）已知約有50個。在所有情況下，都觀察到相同的奇異而令人著迷的行為：在短短几毫秒的時間內，大量的質量被轉化為純能量。

融合了兩個黑洞的圖示，其質量與LIGO最初看到的相當。在中心 在某些星系中，可能存在超大質量的雙黑洞，產生的信號遠強於該圖所示，但其頻率對LIGO不敏感。

SXS，模擬極限時空（SXS）項目（HTTP://WWW.BLACK-HOLES.ORG）

對於這些黑洞與黑洞的合併，尤其有兩點非常有趣。

1. 在所有情況下，發出的峰值功率或每次能量都大致相同。它們在一秒鐘之內就使宇宙中的所有星星都黯然失色，但是更大規模的合併使它們的峰值功率輸出出現在更長的時間段內，從而散發出更多的總能量。
2. 您可以對黑洞與黑洞合併中引力波釋放的總能量進行非常簡單的估算：通過愛因斯坦的E = mc，約有質量較低的黑洞質量的10％被轉換為純能量。

對於有史以來第一次發現的黑洞與黑洞合併，發出的能量總量約為10的47次方J，發生在僅200毫秒左右的時間間隔內，這產生了令人著迷的可能性。

這些碰撞星系的凌亂核心掩蓋了兩個合併的銀河核的最後階段。該這五個星系的右圖顯示了銀河系核心在紅外光下的特寫，清楚地顯示了兩個單獨的黑洞的存在。在足夠的時間內，這些黑洞將全部合併在一起。

M. KOSS（EUREKA SCIENTIFIC，INC。）/ NASA / ESA；凱克影像：M. KOSS（EUREKA SCIENTIFIC，INC。）/ WM凱克天文臺；PAN-STARRS圖像：M. KOSS（EUREKA SCIENTIFIC，INC。）/全景望遠鏡和快速響應系統

與其將兩個“恆星質量”黑洞合併在一起，每個黑洞的質量範圍從幾個到幾十個太陽質量，不如我們看向宇宙中最巨大的黑洞：在中心發現的超大質量黑洞星系。當它們合併在一起時，一系列事件將展開，從而導致最大的能量釋放，至少從理論上講，是我們後大爆炸宇宙中應該發生的。

尤其是：

• 當兩個星系合併時，由於其他質量之間的引力相互作用，它們的黑洞將優先朝新的共同中心沉沒。
• 與氣體和其他正常物質的相互作用將佔主導地位一段時間，從而導致這些黑洞的軌道相對緊湊，週期短。
• 在持續約2500萬年的最後合併階段中，引力波將佔主導地位，導致規模不斷擴大的靈感和合並場景，儘管這遠遠超出了LIGO這樣的檢測器的範圍。

在已知的宇宙中，最大的一對黑洞是OJ 287，其引力波將不在LISA的支持範圍內。基線較長的引力波天文臺可以看到它，脈衝星定時陣列也可以看到它。

蒙卡布雷爾天文臺的拉蒙·納維斯（RAMON NAVES）

當兩個黑洞合併在一起時，它們的相互吸力會導致空間變形，並且它們在變形的空間中的運動會導致引力輻射的發射，該引力輻射將能量從黑洞-黑洞系統帶走，並向外傳播到宇宙之外。既然我們知道黑洞的質量是太陽質量的數十億倍，那麼將數億個太陽質量的黑洞與數十億個太陽質量的黑洞合併是不可避免的。

OJ 287是一個特別的系統，它由一個近1.5億個太陽質量黑洞，圍繞著一個約180億個太陽質量黑洞組成。當它們合併時，將在短短几個小時的時間內釋放約3 ×10的54次方J的能量。不幸的是，LIGO甚至LISA無法檢測到頻率。但是在合併之前，一種不同的技術（一種基於脈衝星時序的技術）可能會揭示出這樣的大型合併，特別是如果兩個質量在規模上彼此接近的話。

該圖顯示了在一個定時陣列中監視多少個脈衝星可以檢測出重力時空會受到海浪的干擾。類似地，足夠精確的激光陣列原則上可以檢測出引力波的量子性質。

DAVID CHAMPION /馬克斯·普朗克射電天文研究所

根據我們最好的現代估計，第一個令人鼓舞的超大質量黑洞應該在十年內被先進的脈衝星定時陣列（如NANOGrav，歐洲脈衝星定時陣列和Parkes脈衝星定時陣列）發現。

當我們檢測到我們的第一個黑洞-黑洞合併時，有一個短暫的持續時間不到200毫秒，該合併產生的能量大於宇宙中所有恆星合併的能量。如果我們能找到一個超大質量的黑洞合併，其較小的質量超過5億個太陽質量，它不僅會比宇宙中所有恆星散發更多的能量約一週，而且它將成為自上世紀以來最活躍的事件。大爆炸，發光超過〜10的55次方Ĵ在該時間間隔。

此圖描繪了超大規模黑洞合併的各個階段，以及預期的 科學家相信，隨著事件的發展將會出現的信號。

ESA – S. POLETTI

但是，有很多例子是合理的，特別是在豐富的星系團中，兩個數十億甚至數百億太陽質量的黑洞將合併在一起。例如，在昏迷星團中，兩個質量最大的星系是NGC 4889，其黑洞質量為210億； NGC 4874，看起來更大，擁有兩倍的球狀星團，但其黑洞的大小約為未知質量。

當兩個包含超大質量黑洞的星系合併時，我們也不會只尋找引力波。它們應該發出明顯的電磁輻射跡象，尤其是在X射線中，這應該提供同時研究重力波和電磁信號中的這些大事件的潛力，甚至在它們合併之前。隨著ESA的雅典娜和NASA的Lynx可能會擴大我們的X射線天文學武庫，我們最終可能會發現原型的示例，該示例有望成為宇宙中最活躍的事件。

當兩個超大質量黑洞相互繞轉時，它們不僅擾動並加速了此事 圍繞它們，它們在發射的電磁輻射中留下了確定的特徵，與重力波輻射互補，為直接檢測提供了另一條途徑，並提供了一種獨立確認黑洞質量的方法。

馬丁·克勞斯（MARTIN KRAUSE）/對話

關於合併黑洞最引人注目的事實之一是，所發射引力波能量的最大速率完全不取決於它們的質量，而是由宇宙的基本常數確定的。黑洞越重，它們發出的能量越多，但是它們發出的時間更長，而不是爆發的幅度更大。它們仍然應該代表整個宇宙中最活躍的事件，但是所有事件中最大的事件應該在最後幾年甚至幾十年內散佈其最活躍的信號，而不是在幾毫秒內發出。

隨著儀器，探測器和新技術套件的不斷完善，超大規模二元黑洞合併的最初跡象可能會在本十年後期出現，這對於引力波天文學而言將是一個令人難以置信的發展，這是一門僅獲得首次成功的科學不到5年前 毫無疑問，超大規模雙星黑洞合併是整個後大爆炸宇宙中最活躍的單個事件

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