引力透鏡技術(shù)揭示超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)

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翻譯：楊幸允

校對：牧夫校對組

編排：陳宏宇

后臺：朱宸宇

https://phys.org/news/2026-02-gravitational-lensing-technique-unveils-supermassive.html

藝術(shù)家筆下受到超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)的引力透鏡效應(yīng)的星光（橘色）。愛因斯坦環(huán)為藍(lán)色。圖片來源：馬克斯·普朗克協(xié)會。

超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)是在星系并合時自然形成的。但是科學(xué)家目前只在少數(shù)彼此相距較遠(yuǎn)的系統(tǒng)中觀測到了可靠的證據(jù)。我們還沒有觀測到彼此緊密環(huán)繞的黑洞雙星。在近日發(fā)表于《物理評論快報》的論文中，研究人員提出可以通過來自黑洞后方的單顆恒星發(fā)出的重復(fù)閃光來搜尋這些隱藏的系統(tǒng)：當(dāng)兩個黑洞圍繞著彼此旋轉(zhuǎn)時，引力透鏡效應(yīng)會暫時放大這些恒星的光。

超大質(zhì)量黑洞位于大多數(shù)星系的中心。當(dāng)兩個星系碰撞并合時，它們中央的黑洞最終會形成被引力束縛的雙星系統(tǒng)，也就是超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在星系演化中扮演著關(guān)鍵角色，它們也是宇宙中最強(qiáng)大的引力波源之一。雖然未來像空間激光干涉儀（LISA）這樣的空間引力波探測器能直接觀測此類雙星系統(tǒng)，但研究人員現(xiàn)已證明，我們或許已能利用現(xiàn)有的及即將開展的電磁波巡天項目探測到它們。

引力透鏡

“超大質(zhì)量黑洞是天然的望遠(yuǎn)鏡，”馬克斯·普朗克引力物理研究所的米格爾·蘇馬拉卡雷吉（Miguel Zumalacárregui）說，“由于有巨大的質(zhì)量和緊湊的體積，超大質(zhì)量黑洞能夠強(qiáng)烈彎曲經(jīng)過其附近的光線。來自同一宿主星系的星光可以被聚焦成格外明亮的圖像。這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)。”

對于單個超大質(zhì)量黑洞而言，只有當(dāng)一顆恒星幾乎精確地位于觀測視線上時，才會發(fā)生極其強(qiáng)烈的引力透鏡效應(yīng)。相比之下，超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)相當(dāng)于一對透鏡。這會形成一種名為“焦散線”（caustic curve）的菱形結(jié)構(gòu)；沿著這條曲線，恒星的亮度可能會被顯著地放大。

“與單個黑洞相比，雙黑洞系統(tǒng)大幅提高了星光被強(qiáng)烈放大的概率。”牛津大學(xué)物理系、本項研究地合作者本采·科奇斯（Bence Kocsis）解釋道。

另一個關(guān)鍵區(qū)別在于，黑洞雙星系統(tǒng)并非靜止不動。當(dāng)這對黑洞在引力作用下相互運(yùn)動時，這個系統(tǒng)會輻射引力波從而逐漸損失能量。因此，雙黑洞之間的距離會隨時間縮小，其軌道運(yùn)動也會逐漸加快。

“隨著系統(tǒng)的運(yùn)動，焦散線會旋轉(zhuǎn)并改變形狀，掃過其后方地大量恒星。如果一顆明亮的恒星位于這一范圍內(nèi)，那每次焦散線掠過它時都有可能產(chǎn)生一次極為明亮的閃光，”研究的第一作者，科奇斯團(tuán)隊的博士生王漢熙（音譯）說道，“這會導(dǎo)致星光出現(xiàn)重復(fù)的爆發(fā)，為識別超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)提供了清晰而獨(dú)特的信號。”

可探測信號中的寶貴信息

研究人員表明，這些閃光的時間分布和亮度變化蘊(yùn)含著關(guān)于黑洞雙星系統(tǒng)的重要信息。隨著兩個黑洞逐漸旋近，引力波輻射會微妙地改變焦散結(jié)構(gòu)，在閃光的頻率和峰值亮度中留下特別的調(diào)制信號。

通過測量這些閃光，天文學(xué)家可以推斷黑洞雙星系統(tǒng)的重要性質(zhì)：著不僅包括黑洞的質(zhì)量，還包括它們軌道的演化。在引力的作用下，它們圍繞著彼此旋轉(zhuǎn)，慢慢地通過引力波輻射損失能量。這也會使兩個黑洞之間的距離不斷縮小。盡管這些閃光現(xiàn)象可能以數(shù)年為周期重復(fù)出現(xiàn)（這對應(yīng)于超大質(zhì)量黑洞的軌道周期），但閃光頻率本身的變化則需要更長時間才能顯現(xiàn)。

目前我們能夠?qū)崿F(xiàn)的是“快照式”觀測：通過這種方式觀測到的不同黑洞雙星系統(tǒng)將呈現(xiàn)出不同地頻率，因為這些位于不同星系中心的黑洞也處于不同的演化階段。

隨著薇拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）和南希·格雷絲·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）等強(qiáng)大的大視場巡天項目陸續(xù)投入運(yùn)行，研究人員對在未來幾年內(nèi)觀測到這種重復(fù)出現(xiàn)的引力透鏡閃光充滿信心。

“在未來地空基引力波探測器上線之前數(shù)年識別出這些正在旋近的超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)，這一前景令人無比振奮，”科奇斯總結(jié)道，“這將為真正的黑洞‘多信使’研究打開大門，讓我們能夠以前所未有的方式檢驗引力理論和黑洞物理。”

責(zé)任編輯：郭皓存

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漁船和城市燈光

在這張來自地球上空259英里的國際空間站的夜間照片中，漁船用綠燈照亮了印度西海岸的阿拉伯海，旨在吸引魷魚、蝦、沙丁魚和鯖魚。在右下角，海得拉巴的城市燈光以其歷史悠久的鉆石和珍珠貿(mào)易而聞名，向西延伸至孟買大都市區(qū)，孟買大都市區(qū)有2600多萬人，是寶萊塢的中心。

圖片來源：美國宇航局/Zena Cardman，國際空間站