超級計算機首次模擬兩個超大質量黑洞併合過程

人類已經捕捉到好幾個被認為是兩個恆星級黑洞併合所釋放出的引力波信號，實測數據較好地貼合了理論模型。那麼如果是兩個超大質量黑洞旋進併合會產生什麼樣的情況呢，尤其考慮如此規模的旋進是否應該釋放出能量巨大的電磁波信號，這是天文學家一直關心的話題。日前，一組研究人員首次使用計算機模擬了這樣的系統，給了我們一些重要的提示。

兩個超大質量黑洞旋進過程模擬（來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

天文學家猜測，幾乎每個類似銀河系一樣規模的星系中心都有一個超大質量黑洞。而星系的碰撞在宇宙中時有發生，那麼按理說超大質量黑洞的碰撞事件應該也不少，但到目前為止還沒有觀測到超大質量黑洞併合的事件。它們所產生的引力波頻率要比恆星級黑洞低許多，所以LIGO目前也無能為力。對此，天文學家只能一方面研製專門探測低頻引力波的觀測設備，另一方面希望藉助計算機模擬幫助人們理解兩個超大質量黑洞旋進和併合是會產生什麼樣的電磁波信號——假如在某個波段上出現比較特殊的光信號，無疑將是一個更為直接的方式。

兩個超大質量黑洞併合時發生物質交換並與紫外線產生相互作用（來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

天文學家以廣義相對論作為理論基礎，同時考慮了星系碰撞物質相互作用，他們認為，星系碰撞會讓許多氣體、塵埃，包括一些恆星、行星推向中心黑洞，在兩個超大質量黑洞併合的過程中吃喝不發愁。通過極其複雜計算機模擬，研究人員發現，這樣兩個黑洞會在一個相對他們質量而言極小的空間尺度內旋轉，越來越快，比如相距僅幾十光年，旋轉速度可以達到光速的1/10。這一過程中會產生三個發光區域：環繞整個雙黑洞系統的大環，稱為環繞盤（circumbinary disk）以及環繞每個黑洞的小環，成為迷你盤（mini disks），所有區域都由熾熱的氣體流連接，主要發射紫外線。當氣體塵埃以極高的速度流入一個迷你盤時，紫外線會與迷你盤上下高能亞原子粒子區域，即黑洞冕區發生相互作用，將產生能量更高的X射線。模擬顯示，臨近合併時產生的X射線比單體超大質量黑洞的X射線更為明亮，變化也更為劇烈，而變化速度顯然與環繞盤內側氣體的軌道速度以及雙黑洞相互間的軌道速度有關。

兩個黑洞旋轉是產生的引力透鏡效應（來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

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