科學家發現黑洞之間「舞蹈」精確時間，神秘宇宙物體隱藏細節

黑洞在太空中不是靜止的；事實上，它們在它們的運動中是相當活躍的。但是因為它們是完全黑暗的，不能被直接觀察，所以它們不容易被研究。科學家們終於找到了兩個巨大黑洞之間複雜舞蹈的精確時機，揭示了這些神秘宇宙物體的物理特徵的隱藏細節。

OJ 287星系擁有有史以來最大的黑洞之一，其質量是太陽的180億倍。繞著這個龐然大物運行的是另一個黑洞，它的質量是太陽的1.5億倍。每12年，較小的黑洞會兩次撞擊其周圍巨大的氣體盤，產生一束比一萬億顆恆星還亮的閃光--甚至比整個銀河系還亮。光需要35億年才能到達地球。

但是較小的黑洞的軌道是長方形的，不是圓形的，而且是不規則的：它在較大的黑洞周圍移動每一個環的位置，並且相對於氣體盤傾斜。當較小的黑洞穿過盤時，它會產生兩個膨脹的熱氣氣泡，它們從盤向相反的方向移動，在不到48小時內，系統的亮度就會翻兩番。

由於軌道不規則，黑洞在每12年的軌道上都會在不同的時間與磁碟發生碰撞。有時耀斑出現的間隔只有一年，而另一些時候，相隔10年。對軌道進行建模和預測耀斑發生的時間花費了幾十年的時間，但在2010年，科學家們建立了一個模型，可以在一到三周內預測耀斑的發生。他們通過預測2015年12月到三周內耀斑的出現，證明了他們的模型是正確的。

然後，2018年，印度孟買塔塔基礎研究學院(Tata Institute Of Basic Research)的研究生蘭克斯瓦爾·迪伊(Lankeswar Dey)領導的一組科學家發表了一篇論文，他們聲稱，這篇論文的模型更加詳細，他們聲稱能夠預測未來4小時內的耀斑時間。發表在天體物理期刊通訊這些科學家報告說，他們對2019年7月31日發生的耀斑的準確預測證實了該模型是正確的。

對那次耀斑的觀察幾乎沒有發生。由於OJ 287位於太陽與地球的對立面，在地面和地球軌道上的所有望遠鏡的視線之外，直到9月初，即耀斑消退很久之後，黑洞才會重新出現在這些望遠鏡的視野中。但是這個系統就在NASA的Spitzer太空望遠鏡的視野之內，該機構於2020年1月退役。

經過16年的運行，太空飛行器的軌道使其離地球1.58億英裡(2.54億公裡)，相當於地球與月球之間距離的600多倍。從這個有利位置，斯皮策可以從7月31日(耀斑預計出現的同一天)到9月初觀測到這個系統，那時OJ 287將在地球上的望遠鏡上被觀測到。

「當我第一次檢查OJ 287的能見度時，我震驚地發現，在下一次耀斑發生的那天，斯皮策就能看到它，」加州帕薩迪納加州理工學院/IPAC的助理工作人員塞普·萊恩(Seppo Laine)說。他負責斯皮策對該系統的觀測。「非常幸運的是，我們能夠用斯皮策捕捉到這一耀斑的頂峰，因為沒有其他人工製造的儀器能夠在那個特定的時間點實現這一壯舉。」

空間漣漪

科學家們經常對太陽系中的小天體的軌道進行建模，就像一顆圍繞太陽旋轉的彗星，同時考慮到對它們運動影響最大的因素。對於那顆彗星來說，太陽的引力通常是主導力量，但是附近行星的引力也會改變它的軌道。

確定兩個巨大黑洞的運動要複雜得多。科學家必須解釋那些可能不會明顯影響小物體的因素，其中最主要的是一種叫做引力波的東西。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為物體質量對空間的扭曲。當物體在空間中移動時，扭曲就會變成波浪。愛因斯坦在1916年預言了引力波的存在，但直到2015年才被雷射幹涉儀引力波天文臺直接觀測到。

物體的質量越大，它所產生的引力波就越大，能量也就越大。在OJ 287系統中，科學家們預計引力波如此之大，以至於他們能夠攜帶足夠的能量離開這個系統，從而可測量地改變較小的黑洞的軌道，從而改變耀斑的時間。

雖然以前對OJ 287的研究已經解釋了引力波，但2018年的模型是迄今為止最詳細的。通過吸收從LIGO探測到的引力波中收集到的信息，它細化了一次耀斑發生時間僅為1/2天的窗口。

為了將耀斑的預測進一步細化到4個小時，科學家們對大黑洞的物理特性進行了詳細的摺疊。具體來說，新模型包含了黑洞的「無頭髮」定理。

這個定理是20世紀60年代由包括史蒂芬·霍金在內的一群物理學家發表的，它預測了黑洞「表面」的性質。雖然黑洞沒有真實的表面，但科學家們知道黑洞周圍有一個邊界，超過這個邊界，任何東西--甚至光--都無法逃脫。有些觀點認為，外緣，即事件視界，可能是顛簸的，也可能是不規則的，但無毛定理假設「表面」沒有這樣的特徵，甚至連頭髮都沒有(這個定理的名字是個笑話)。

換句話說，如果一個人沿著它的旋轉軸將黑洞切到中間，它的表面將是對稱的。(地球的自轉軸與其南北極幾乎完全一致。如果你沿著這個軸將行星切成兩半，並將這兩部分進行比較，你會發現我們的行星基本上是對稱的，儘管海洋和山脈等特徵在這兩部分之間會產生一些微小的變化。)

求對稱性

20世紀70年代，加州理工學院名譽教授基普·索恩(Kip Thorne)描述了這種情況--一顆圍繞一個巨大黑洞運行的衛星--可能會揭示黑洞表面是光滑的還是顛簸的。通過精確地預測小黑洞的軌道，新模型支持無法定理，這意味著我們對這些不可思議的宇宙物體的基本理解是正確的。換句話說，OJ 287系統支持黑洞表面沿其旋轉軸對稱的觀點。

那麼，大質量黑洞表面的光滑性是如何影響小黑洞軌道的時間的呢？這個軌道主要是由較大黑洞的質量決定的。如果它變得更大或失去一些重量，這將改變更小的黑洞的軌道的大小。但質量物質的分布也是如此。大黑洞一側的巨大凸起會扭曲周圍的空間，與黑洞對稱的情況不同。這將改變較小黑洞的路徑，因為它繞著它的同伴運行，並可測量地改變黑洞在特定軌道上與圓盤碰撞的時間。

芬蘭圖爾庫大學(University Of Turku)天體物理學家、論文合著者莫裡·瓦爾託寧(Mauri Valtonen)說，「對黑洞科學家來說，我們必須證明或證明無頭髮定理。沒有它，我們就無法相信霍金和其他人設想的黑洞存在。」

斯皮策科學數據繼續由科學界通過位於帕薩迪納加州理工學院IPAC的紅外科學檔案館的Spitzer數據檔案進行分析。JPL為美國宇航局在華盛頓的科學任務管理局管理斯皮策任務運作。科學操作是在加州理工學院IPAC的斯皮策科學中心進行的。太空船的基地設在科羅拉多州利特爾頓的洛克希德·馬丁航天公司(Lockheed Martin Space)。加州理工學院為NASA管理JPL。