合体就会搞出引力波，说说黑洞们的日常
前天半夜，两只黑洞又在宇宙里搞了个大新闻：它们合体释放的引力波再次被人类捕获。然而我们想请它俩不要太得意，因为黑洞家族还有很多其他成员，作为宇宙中最凶猛的吃货，不断吞噬周围的物质。比起天文学者木石今天要讲的超大质量黑洞来说，上面两个都还是小家伙。
如果两个小质量黑洞合并，就能产生超过整个可见宇宙的能量释放，那么两个几百万到几亿太阳质量级别的超大质量黑洞并合，将百万到亿太阳质量级别的能量释放出来……那时，将会产生何种强大的引力波？又会对宇宙会产生何种影响？
昨天，LIGO宣布他们于2015年12月26日再一次成功探测到引力波事件——GW151226。距离我们14.3亿光年的两个恒星级别的黑洞（14.2个太阳质量与7.5个太阳质量）旋转着靠近并且合并形成了一个新的黑洞（20.8个太阳质量），于大约1秒的时间里将约等同于太阳的质量转化为巨大能量，以引力波的形式释放出来。在这么短暂的时间中释放出的引力波能量，超过了目前可以观测到的整个宇宙中恒星和星系以光的形式释放出的能量总和。GW150914和GW151226这两次事件作为目前最为有利的观测证据，支持了黑洞的存在。
一个14.2个太阳质量的黑洞与一个7.5个太阳质量的黑洞合并将1个太阳质量以引力波释放出来，就能够产生超过整个可见宇宙的能量释放，那么两个几百万到几亿太阳质量级别的超大质量黑洞并合，将百万到亿太阳质量级别的能量释放出来，会产生何种强大的引力波？对宇宙到底有何影响？这些都是非常让人感兴趣的问题。超大质量黑洞就是我们今天故事的主角。
超大质量黑洞——星系中心的猛兽
黑洞，作为宇宙中最凶猛的野兽，不停地吞噬着周围靠近它的物质。虽然黑洞可能存在于宇宙的各个地方，但是今天的人类由于技术的限制仍然无法抵达哪怕是潜在离我们最近的黑洞。从20世纪初页起到现在，不管是从理论上还是观测上，人类对黑洞的认识都有了极大的深入，敦促着我们拼尽全力不断地探索、理解它们存在以及背后的运行逻辑。
当物质足够聚集且质量足够大，周围的时空会发生会发生显著变化，表现出强大的引力效应，任何东西包括光都无法从这个密度聚集区的周围逃走。这样的物质聚集及其周边的时空被称作黑洞（图1），视界定义了区隔黑洞内部与外部世界的边界（一个事件刚好能被观察到的那个时空界面称为视界。譬如，发生在黑洞里的事件不会被黑洞外的人所观察到，因此我们可以称黑洞的界面为一个视界）。上世纪经由包括爱因斯坦、史瓦西、爱丁顿、钱德拉赛卡等大量物理学家、天文学家和数学家的努力已经构建了较为系统的理论认知和猜测。且近些年在天文观测上也取得了长足的进步。
黑洞有大有小，按照质量从恒星级黑洞（几个到几十个太阳质量，如银河系内的天鹅座X-1）到星系级的超大质量黑洞（百万太阳质量到百亿太阳质量），遍布宇宙的各个地方。
离我们最近且科学家最了解的超大质量黑洞，当然是位于我们可爱的银河系中心的人马座A*。科学家通过对其周围的恒星运动轨迹长达十几年的持续监测（图2），发现在6.25光时（67.5亿公里）的范围内存在一颗质量约为4百万太阳质量的致密天体，在人类已知的理论中，它最有可能且最合理的解释只有超大质量黑洞（虽然理论上黑洞半径仍然远远小于6.25光时）。在最近LIGO关于引力波的探测之前，这被认为是证明黑洞存在最为有力的观测证据之一。
当然这些超大质量黑洞并不是都会安安静静地待在那里。它们有的正在侵吞周围的物质（天文学家一般称这样的黑洞正处于活动状态），而有的则刚刚吃完处于休眠期。
银河系中心的黑洞目前正处在休眠期，基本没有吸收（天文学上称为吸积）周围的物质（有科学家认为大约两百万年前银河系中心的黑洞其实是处在活动期的，比目前看到的大约要亮10亿倍，整个银河系的景象会与目前看到的有所不同）。然而其他星系中心的超大质量黑洞并不一定都像现在的人马座A*这样安静，它们中的许多会处在活动状态，通过强大的引力吞噬着周围的物质，释放出巨大的能量。这些正在吸收着周围气体甚至光子的“暴食者”，在天文上被称作活动星系核。
大家可能还记得，2014年底的《星际穿越》中，马修·麦康纳饰演的库珀与安妮·海瑟薇饰演的布兰德乘着永恒号到达卡冈图雅黑洞时壮阔无比的景象（图3）。卡冈图雅正是这样一个“暴食者”，持续吸积着周围的物质，并把引力能通过粘滞和摩擦转化为热能释放出去。这些被吸积过来的物质由于带有原初角动量，便会形成一个盘状的结构（图4中左边侧视图中的红色盘状物，成为吸积盘）。然而这毕竟是黑洞，故事总会有些许不同。黑洞周围强大的引力偏折了光线，使得我们能够越过黑洞看到黑洞后头被遮挡的盘面，于是电影中造型奇特的“光晕”便呈现在了观众面前（图3及图4右边）。
星系中心这些超大质量黑洞吸积周围的物质所释放出的巨大的能量甚至能够超过它们的寄主星系里百亿到千亿颗恒星释放出的总能量，以至于黑洞周围微小的区域（相对于星系尺度而言）的光芒甚至让整个星系相比也显得暗淡。这一点正是科学家对天文学中著名的类星体（活动星系核的一类）进行研究的起始点。
上世纪50年代到60年代，科学家陆续发现了一批看起来和恒星一样的一些尺度微小的点光源（图5，这就是黑洞和周围的吸积盘被天文学家观测到的样子）。但是不同于普通恒星，它们在射电波段有明显的辐射，而且光学波段又与恒星光谱上致密的吸收线截然不同，辐射着很强又很宽的发射线。1963年，荷兰科学家Maarten Schmidt通过分析这些发射线，确定了这些源的红移，认定了这些天上的亮点是遥远的河外天体。这一发现当时不光震惊了科学界，也在公众界产生了显著的影响，以至于Maarten Schmidt登上了1966年3月11日发行的《时代周刊》封面。
当时这一发现在科学界产生了广泛的争论，主要的焦点是这些天体到底是不是真的这样遥远，如果它们是河外天体，它们的能源产生机制到底是什么。因为在当时看来即使是热核燃烧也无法提供这样高效率的能量转化机制以维持它们释放出的巨大能量。
英国天体物理学家DonaldLynden-Bell在1969年提出，如果是超大质量黑洞吞噬周围的物质，将引力能释放出来，就能够解释天文学家观测到的极强辐射，成功的解决了类星体的能源机制问题，进而也就有了上面影片中所展现出来的黑洞吞噬物质的惊人景象。
“点亮”宇宙的烛光
这些正处于活动状态的黑洞（也被称作活动星系核）不仅点亮了我们的宇宙，也开辟了一条理解宇宙的新窗口，有望借助它们作为探针对宇宙早期的演化历史给出观测上的限制。
宇宙作为人类能够感受到的最大客体，理解宇宙是无数科学家为之努力的终极目。一般认为宇宙诞生于一个密度无限大的点，经由大爆炸而产生，并不断膨胀变大。宇宙学的理论模型随同广义相对论建立自上世纪前半页，然而具体对宇宙的不同成分（包括重子物质、辐射、暗物质和暗能量）比例的测量，包括整个宇宙的演化历史的理解，其实到上世纪末期才有了突飞猛进的进展。
了解到宇宙正处在加速膨胀阶段，得益于1998、1999年的Adam Riess和Saul Perlmutter等人对Ia型超新星的观测工作。Ia型超新星的亮度（天文上一般称作光度）大致上维持在一个恒定的量级，通过一定修正后，我们就知道了它们的本征亮度，于是可以利用这些Ia型超新星作为标准烛光来测量宇宙的距离。由于其相对较高的光度，可以测量红移甚至大于1的宇宙学距离。越遥远的地方代表着宇宙演化中更早的时刻，通过对Ia型超新星的观测，人们发现宇宙目前正处在加速膨胀阶段，从而对宇宙的演化（图6）有了一定的认识。
不过更早期的宇宙是如何演化的，依然缺乏观测上的证据。Ia型超新星有着其自身的限制，一是本身亮度有限，很难观测到红移大于2的Ia型超新星；二是部分科学家认为恒星演化理论预言可能在高红移还没有演化出足够数量的Ia型超新星，很难应用到更加早期的宇宙中去。其他测量宇宙的方法（微波背景辐射、重子声学震荡）又存在各自的限制，于是找到一类直接的测距工具测量高红移宇宙（更加早期的宇宙）中的距离就成了摆在人们面前的一个亟待解决的问题。
于是处在星系中央的猛兽们就又被人们想起。超大质量黑洞拥有着Ia型超新星最亮时期的100倍甚至1000倍以上的光度，足以让人们探测到宇宙更加遥远的位置。只要能够通过某些手段知道这些超大质量黑洞周围吸积盘的本征光度（或者说类星体和活动星系核的本征光度），结合地面上观测得到的辐射流量，就可以测量这些天体到我们的距离。
在类星体发现后的五十年时间里人们进行了许多这方面的尝试，并没有成功地找到较高精度估计这些正在活动的超大质量黑洞的光度的方法。不过近几年的一些国内外的研究工作提供了新的可行性，通过一定的经验关系或者利用极端超高吸积率的超大质量黑洞的“光子囚禁效应”有可能能够估计它们的本征光度，从而把类星体和活动星系核作为烛光来测量宇宙的尺度。我们有理由相信，在不远的将来黑洞烛光有望代替Ia型超新星，把人类了解宇宙的触手伸向更遥远的地方。
探索宇宙的跳板
今天的人们探索宇宙主要仰赖地面或空间望远镜，对宇宙学的研究也主要是借助对Ia型超新星、微波背景辐射、重子声学震荡和引力透镜效应等观测（未来有望借助黑洞）进行的。然而，更遥远的未来如果人类有能力进行星际旅行，相信我们一定期望直接去看看离我们500亿光年外的遥远宇宙到底是如何丰富多彩的。
即使时至今日，从观测上也依然不排除在部分星系中心的黑洞有可能是早期宇宙中残存下来虫洞的可能性，并仍然有工作试图区分出星系中心的到底是黑洞还是虫洞。虫洞具备特殊的拓扑结构，能够将时空中分隔开来的两个区域连接起来，或者打通了多元宇宙模型中的两个不同宇宙（图7）。比如近年来就有工作提出可以利用靠近人马座A*最内稳定轨道附件的等离子体热斑来区分银河系中心到底是带有自转的Kerr黑洞还是虫洞。
假设银河系中心可能是虫洞，那么这将是最有可能把人类送往另一个星系中心的大门。不过，即使我们已经有能力去往银河系的中心，这意味着星系尺度的漫游已经成为了可能，但星系与星系之间的距离将比星系本身的尺度大3个或更多个数量级（除了本星系群里的星系还算靠的近之外），未来找到在星系尺度漫游的方法并不一定意味着能够跳出我们的星系去往其他星系团中的星系内部。而且，不管是在银河系内进行探索，还是通过虫洞来往于不同星系，能量都是必须的，只有当人类有能力操控一定量级的能量时，才有可能通过前面所说的这些方法进行时空旅行。所以，银河系中心的超大质量黑洞（这个时候我们可以把它称为虫洞）将是一个快捷的去往其他星系的方法，能够有效减少所需的能量消耗。
然而，即便银河系中心的黑洞连接着其他的时空，由于拓扑结构连接的目的地是固定的（虽然不排除可能会发生变化），我们仍然不能随心所欲地去往我们想要去的任何地方。那么如何去往我们想要去的其他星系，而不是只能在同一个门里穿进穿出呢？其实在像银河系这样比较大的星系周围，存在着许多质量比较小的矮星系，它们的中心也存在着中等质量的黑洞，如果它们连通着其它的地方，那么这样就构成了一个通往不同世界的交叉网络，我们有可能借由这样的网络往返于宇宙的不同的地方，甚至进行时间穿梭（不过理论上只能向后不能向前跳）。
当然虫洞也可能打通多元宇宙之间的壁障，连接着不同的宇宙。星系团中心的星系（被称作最亮团星系）是人类已知质量最大的星系，相应的它们中心的黑洞也是目前已知质量最大的黑洞，也蕴含了最大的能量。我们的宇宙中要是有地方连接着其他的宇宙，这些最亮团星系中心的黑洞一定是最有可能的候选体。一旦我们能够通过虫洞网络，借由多次跳跃来到这些最亮团星系，我们就有可能能够达到其他的宇宙。
当然，有着无数的现实和理论问题阻碍着上面这些脑洞想法的实现，但是没人知道未来会是怎样，或许有一天这些都能成为现实。
责编：糖匪
一个算是战斗在一线的天文工作者，主要研究超大质量黑洞、活动星系核，游历于观测与数据的汪洋大海之中。
不存在日报是一个关注未来与科技的媒体，为你提供来自不同宇宙和时间线的新闻或故事。小心分辨，跟紧我们。因为，我们的指导单位是：未来事务管理局。
所有内容欢迎个人转发，谢绝媒体机构转载
加入我们：faa@guokr.com
投稿：faaoffice@163.com
未经授权使用会导致没有未来