超大质量黑洞碰撞只剩100年？我们核对了论文计算

两个黑洞碰撞

两个超大质量黑洞相撞时，会发生什么？人类从未亲眼见过这种场面。如今，人们已能经常观测到质量从太阳几倍到一百多倍的较小黑洞相撞。自二〇一五年以来，引力波探测器已经记录了两百多起可能的碰撞。

引力波就是空间本身的涟漪，由大质量天体彼此绕行时发出。但大多数大型星系中心的巨型黑洞，是另一回事。它们的质量最高可达数百亿个太阳质量。二〇二六年四月，波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所一支由Silke Britzen带领的团队，宣布发现一对近距离候选黑洞。

这个星系叫作马卡良五〇一。他们的新闻稿说，这两个黑洞“最短可能在一百年内合并”，具体取决于它们的真实质量。但马克斯·普朗克学会自己的标题却以问号结尾：“探测到第一对近距离超大质量黑洞？”这个问号，正是本期视频要讨论的内容。

先说一个可以放心的事实：这个星系距离我们超过四亿四千万光年。光年是光在一年中走过的距离，大约是九点五万亿千米。那里发生的任何事情都不会影响地球。两个巨型黑洞为什么最终会走到一起？

天文学家究竟看到了什么？“一百年”这个数字从何而来，经得起推敲吗？如果它们真的合并，会有人察觉吗？我们读了论文原文，又重新计算了论文中的数字，会准确说明每个数字来自哪里。

星系相撞，黑洞也会相遇

先从这些巨型黑洞本身说起。一个超大质量黑洞的质量，大约从十万个太阳质量到数百亿个太阳质量不等。星系会彼此吸引、相撞，最后缓慢合并成一个。两个星系合并时，各自都会带上中心的黑洞。

所以迟早，这两个黑洞应该会相遇。这里有一个正在进行到一半的星系合并。这是NGC 六二四〇，距离我们大约四亿光年。纠缠的光芒深处，藏着两个相距大约三千光年的超大质量黑洞。

在一个叫作零四〇二加三七九的星系里，人们发现了一对距离近得多的黑洞。天文学家用秒差距来测量这类距离；一个秒差距大约是三点三光年。在零四〇二加三七九中，这两个黑洞相距大约七个秒差距，也就是约二十三光年。它们合计约为一百五十亿个太阳质量，绕行一周大约需要三万年。

这个星系距离我们大约七亿五千万光年。二〇一七年，天文学家报告了这两个黑洞彼此绕行的迹象。就连那项研究的天文学家Roger Romani也说，如果能找到一个“在几十年内”完成一周绕行的系统，他会非常高兴。我们还没有清楚看到最后一步：一对近到即将合并的黑洞。而且，最后一步之所以很难捕捉，是有原因的。

黑洞的最终秒差距问题

一九八〇年，三位天体物理学家Mitchell Begelman、Roger Blandford和Martin Rees在《自然》杂志发表短论文。他们问：如果活动星系中有两个彼此绕行的大质量黑洞，会发生什么？活动星系，就是中心黑洞吞噬物质并发强光的星系。他们认为，这或许解释一些射电喷流为何弯曲或进动。

喷流是黑洞附近射出的狭窄高温带电气体束，速度接近光速。进动，就是像陀螺摇摆，轴线缓慢画圆。他们还说，可寻找轨道运动的直接影响来检验。起初，每个黑洞都会因所谓动力摩擦向中心下沉。

动力摩擦，就是重物的引力拖着一群恒星随行时受到的阻力。两个黑洞形成束缚系统后，会甩出恒星并彼此靠近。恒星掠过这对黑洞，就像弹弓甩石般被抛出。每颗恒星带走一点轨道能量，轨道便逐渐缩小。

想象两个手拉手的滑冰者向外扔重球，每扔一次就靠近一点。但在最简单模型里，星系近似球形，合适轨道上的恒星很快耗尽。于是理论认为，这对黑洞会停滞在大约一个秒差距处。引力波也会带走能量，但在此距离上实在太弱。

仅靠引力波缩小轨道，所需时间远超宇宙年龄。这就是黑洞的最后秒差距问题，名称来自Milos Milosavljevic和David Merritt在二〇〇三年发表的论文。人们已提出几种解决办法。一种认为，真实星系不是完美圆形。

在扁平的所谓三轴星系中，恒星会不断落入通往中心的新轨道。二〇一五年的研究发现，仅凭这点就能解决问题，让黑洞在大约十亿年或更短时间内合并。另一种想法是，后续合并带来第三个黑洞，把这对黑洞一起摇动起来。第三种方案在二〇二四年提出，涉及暗物质。

暗物质是维系星系的不可见质量，我们只能靠引力探测到它。如果暗物质粒子能彼此碰撞，黑洞周围的致密团块会不断补充，阻力也会持续存在。在这个模型中，如果较大的黑洞约为三十亿个太阳质量，这对黑洞可能在大约一亿到十亿年内合并。但连支持者也承认，现有数据还无法区分这种效应与恒星和气体造成的效应。

所以，最后秒差距问题已有几种候选解法，但没人知道哪种能在真实星系中奏效。如果能确认一对黑洞已远在最后一个秒差距内，就有力证明自然界能跨过这道障碍。

长期受怀疑的 Markarian 501

马卡良五〇一是一个耀变体。耀变体是一种活动星系，它的喷流几乎正对着我们，所以看起来极其明亮。它甚至会发出极高能量的伽马射线，因此天文学家称它为TeV耀变体。它是已知距离最近的耀变体之一，红移为零点零三四。

红移衡量的是宇宙膨胀在光抵达我们途中把光拉长了多少；数值越小，代表距离越近。它位于武仙座。天文学家过去就怀疑它藏着两个黑洞。二〇〇〇年，Frank Rieger和Karl Mannheim注意到，它在一九九七年的一次爆发中，X射线和伽马射线耀斑大约每二十三天重复一次。

他们提出了一个轨道周期约为六到十四年的双黑洞模型。那是一个与今天新闻中的模型不同、数字也不同的模型。二〇二三年，Silke Britzen的团队研究了马卡良五〇一长达二十三年的射电图像。这些图像来自甚长基线阵列，也就是由十面完全相同的二十五米射电天线组成的阵列，分布在夏威夷到美国维尔京群岛之间。

每个地点都会记录信号，之后再把它们合并，因此这些天线能像一台口径约八千千米的望远镜那样协同工作。把天线分布得这么远，能看到远比任何单面天线更细的细节。他们发现，内部喷流和大得多的外部喷流指向相差约九十度。而且，喷流中的结构正向侧面漂移，方向与喷流本身垂直。

那篇论文没有声称存在双黑洞，只把摇摆的喷流基部和双黑洞列为有待检验的可能性。

第二条喷流

这项新研究发表在《皇家天文学会月刊》上，转而分析了来自同一阵列的更清晰图像。研究团队重新分析了二〇一一年至二〇二三年的八十三次观测，这些观测使用四十三吉赫兹的射电频率完成。射电频率越高，看到的图像就越清晰，所以四十三吉赫兹能显示比此前十五吉赫兹图像更细的细节。他们还把这些结果与十五吉赫兹和八吉赫兹的早期结果进行了比较。

除了已知的喷流，他们还报告了另一股喷流，它似乎从主喷流对面的反喷流一侧出发，绕着核心盘旋。他们把它称为Jet二。新闻稿说，它指向与主喷流不同的方向，因此更难被发现。论文甚至提出，早期图像可能把它误认成主喷流明亮的边缘。

Britzen说：“我们寻找它寻找了很久，后来它完全出乎意料地出现了，我们不仅看到了第二股喷流，甚至还追踪到了它的运动。”用她的话说：“分析这些数据的感觉，就像待在一艘船上。”在四十三吉赫兹下，整个喷流系统会在大约七年的时间尺度上发生侧向移动。

它的总亮度也以相似的周期起伏，大约是七点四年。而核心亮度则暗示着一个短得多的节奏，大约一百二十一天。记录某个天体亮度随时间变化的曲线，叫作光变曲线。论文原文说，一百二十一天这个周期“约束并不充分”。

Jet二的运动给出了一个相近的数字：它似乎每隔大约一百四十六天就恢复成相同的形状，误差大约是三周。研究团队的解读是，每股喷流都来自自己的黑洞，而这两个黑洞每隔几个月互相绕行一周。它们的轨道平面还会缓慢摆动，使喷流每隔七年摆动一次。用他们的话说，这样的双黑洞“可以合理解释”他们看到的现象。

假设两个黑洞质量相等，摘要估计每个黑洞约为一亿到十亿个太阳质量，不过后文的间距计算采用的是总质量范围。这会使两个黑洞相距二十七到一百二十八个史瓦西半径。史瓦西半径，就是黑洞不可返回点的大小。对于一个质量为十亿个太阳的黑洞，这个距离约为地日距离的二十倍。

新闻稿换了一种说法：大约是地球与太阳之间距离的二百五十到五百四十倍。这个地日距离约为一亿五千万千米，被称为一个天文单位。这个距离最多约为零点零零二六个秒差距。它们之间的距离比零四零二加三七九那一对小两千多倍，深处就在最后秒差距以内。

从地球看，这个间隔即使对事件视界望远镜也小了大约五倍，无法分辨开来。事件视界望远镜是拍摄过M八十七黑洞的望远镜网络。

只持续一天的爱因斯坦环

还有一个线索，来自二〇二二年六月这一天。那天，Jet二的结构沿核心排成近乎闭合的圆。大质量天体会弯曲近旁经过的光，这是爱因斯坦引力理论预言的现象，叫作引力透镜效应。如果光源正好在大质量天体后方，光可能被拉成环绕天体的一圈，即爱因斯坦环。

哈勃望远镜曾拍到环绕全星系的类似结构。新闻稿解读是，那天系统恰好与地球排成一线。前方黑洞弯曲后方第二股喷流发出的光。马克斯·普朗克学会称，这个环“是与双黑洞相符的一种解释”。

但论文计算带来了转折。若黑洞如此重，光线只有从其身后很远、大约十到一百秒差距之外出发，才能被弯成这么大的环。相当于两个黑洞间距的几千倍。因此作者认为，这个环可能来自Jet二更远处的光，而非紧挨第二个黑洞的光。

如果解释成立，会是一条引人注目的线索。但目前只有一个清晰的部分光环，其他几天也有更暗弧线，而且解读取决于模型。单凭这一点，还不能独立确认。

“100年”从何而来

现在说说标题里的那个数字。新闻稿说，这对黑洞可能“最短在一百年内”合并，具体取决于它们的实际质量。有一篇报道明确说明了条件。如果黑洞的质量接近十亿个太阳质量，最后的合并“可能只在一个世纪之后”。

论文给出了这个数字的推导过程。它借用了早期研究中的质量估计：整个系统大约相当于七亿个太阳质量。它采用喷流运动显示出的一百四十六天周期，扣除宇宙膨胀拉伸光线的影响后，大约是一百四十一天。开普勒第三定律随后给出了间距：知道质量后，轨道转一圈需要多久，就能告诉你两个天体相距多远。

这意味着两个黑洞相距大约四百七十个天文单位。接下来用到一个标准公式，由Philip Peters在一九六四年首次推导，用来计算引力波会以多快的速度耗尽这对黑洞的轨道能量。假设两者质量相等，轨道是圆形，论文说这对黑洞至少还能运行二百五十圈。一百四十一天一圈，二百五十圈还不到一百年。

我们自己也按同样的设定算了一遍。我们同样得到大约四百七十个天文单位，但寿命更接近一百九十年，差不多是四百八十圈。这仍然符合“至少二百五十圈”，但也意味着一百年只是估计值的最短端。而且答案会随质量大幅变化。

如果总质量是一亿个太阳质量，等待时间会增加到将近五千年。如果是二十亿个太阳质量，等待时间会降到大约三十年。如果其中一个黑洞比另一个重十倍，等待时间大约会长三倍。如果一百二十一天的节律才是真正的轨道周期，那么等待时间会更短，按论文给出的质量计算，大约是一百一十年。

所以，“一百年”并不是这对黑洞的确定预报。而且论文内部本身就有一个问题。在作者的示意性节点进动模型中，要和七年的周期相匹配，轨道必须被拉成长椭圆，偏心率大约是零点八或更高。偏心率衡量轨道被拉长的程度：零代表圆形，接近一的数值代表又长又窄的椭圆。

论文指出，这样的轨道需要更准确地估计这对黑洞的寿命。按我们的估计，在论文给出的质量和这些假设下，用Peters公式算出的引力波内缩时间只有大约五年。这和一百年的说法会是完全不同的故事。如果真正的轨道周期是他们测得周期的一半或两倍，这里的每一个数字都会再次改变。

而且，如果一百四十六天的模式根本不是轨道周期，它就无法提供这次计算所需要的周期。对于Jet二的计时，论文自己也指出了一个薄弱环节。望远镜是在不规则的时间观测的，作者写道，这种不均匀的采样妨碍了他们的方法。十二年左右的时间里有八十三次观测，平均大约每七到八周一次，而他们要寻找的节律只有四到五个月长。

也就是说，平均每个周期只能看两到三次。对于亮度节律，他们使用了一种标准工具，在不均匀的数据中寻找重复周期。它能显示某个峰值由偶然产生的可能性，但我们没有找到针对红噪声或采样混叠的检验，无法排除它们制造出假周期。随机闪烁也可能在几个周期内伪装成周期，这正是下一章会遇到的陷阱。

我们查了八篇新闻报道，也检索了主要科学媒体，没找到研究团队之外的专家引述。ScienceAlert是少数明确说这不是“决定性的探测结果”的媒体之一。

早先有关黑洞对的主张

马卡良五〇一并不是第一个被宣称存在近距离双黑洞的天体，早先的故事值得警惕。最著名的是OJ 二八七，一个大约每十二年爆发一次的耀变体。在双黑洞模型中，一个约一亿五千万个太阳质量的黑洞，每十二点〇六年绕着一个约一百八十亿个太阳质量的黑洞运行一周。这个模型预测，爆发会在一九九五年、二〇〇五年、二〇〇七年和二〇一五年开始。

但在二〇二三年，Stefanie Komossa带领的团队报告说，原本预测在二〇二二年十月出现的耀斑并没有被探测到。他们还估计，主黑洞只有大约一亿个太阳质量，并更支持其他双黑洞模型。模型作者Mauri Valtonen先说，那次耀斑发生在夏季观测空档，地面望远镜无法观测这个源。二〇二六年，他的团队又报告了那年十月出现的一次潮汐耀斑，并认为它不同于预测中的撞击耀斑，争论仍在继续。

还有PG 一三〇二-一〇二，这是一个亮度似乎每五年左右重复一次的类星体。二〇一六年，Simon Vaughan和同事展示了，随机变化在较长时间尺度上能量更强，可能在几个周期内看起来像周期信号。天文学家把这种模式叫作红噪声。对于PG 一三〇二-一〇二，他们发现，简单的随机过程比稳定的正弦波拟合得更好。

PKS 二一三一-〇二一是另一个候选者，在四十五年的数据中出现了大约五年的射电周期。它的团队模型认为，轨道周期是两年，大约在一万年后合并。然而，这个信号似乎消失了大约二十年，从大约一九八四年到二〇〇五年。对于星系三C 六六B中一对被提出的黑洞，天文学家给正在旋转的死亡恒星发出的脉冲计时，

这些恒星叫作脉冲星，以限制可能的质量和轨道。二〇二六年的一项分析排除了原先仍被允许的一部分情况。最有力的警告来自M八七，也就是事件视界望远镜拍摄到黑洞阴影的那个星系。它的喷流以大约十一年的周期来回摆动，这一现象通过二十二年的射电数据追踪到。

但那项研究用一个单独的自旋黑洞解释了它。自旋黑洞会拖拽周围的空间，从而让倾斜的气体盘发生摆动。物理学家把这叫作Lense-Thirring进动。Britzen自己在二〇二三年的论文中，也把同样的单黑洞摆动列为马卡良五〇一的一种可能解释。

新论文考察了其他解释，包括开尔文赫姆霍兹不稳定性形成的螺旋结构、核心位移、内部冲击和不均匀质量加载，但认为它们都不够充分。我们没有找到它检验那个曾解释M八七的自旋黑洞模型。所以，单凭摆动的喷流，并不能证明存在两个黑洞。马卡良五〇一的不同之处，在于第二条喷流和可能存在的光环。

这就是它成为严肃候选者的原因，也正因为如此，它目前仍然只是候选者。

引力波背景

即使我们无法直接看见这对黑洞，也许还有另一种方式听见这样的双黑洞。二〇二三年六月，NANOGrav团队宣布发现缓慢变化的引力波背景证据。他们使用了脉冲星，也就是每秒旋转数百次、像灯塔一样把射电束扫过地球的死亡恒星。经过的引力波会拉伸并挤压我们与每颗脉冲星之间的空间。

因此，脉冲到达的时间会微微提前或延后。在十五年时间里，NANOGrav为六十七颗脉冲星计时，并发现整个天空中脉冲到达时间出现彼此关联的变化，呈现出引力波应该造成的模式。统计显著性大约是三点五到四个西格玛。西格玛衡量的是一个结果纯粹由偶然产生的可能性有多小，物理学家通常把五个西格玛称为发现。

欧洲、印度、澳大利亚和中国的团队在同一天报告了类似结果。NANOGrav表示，这个信号与许多超大质量黑洞双星相符，但还不能排除其他来源。而且，目前还没有从这个背景中找出某一对具体的黑洞。新闻稿称，马卡良五〇一是把脉冲星计时引力波与某一对具体双星联系起来的最佳候选者之一。

合著者Hector Olivares这样表达了希望：“我们甚至可能看到，随着这两个巨物螺旋式靠近碰撞，它们的频率持续升高。”按我们的计算，使用论文给出的质量，这个升高在十年内大约是百分之二。如果总质量是一亿个太阳质量，升高幅度大约只有千分之一，而如果是二十亿个太阳质量，大约会升高百分之十五。

我们能探测到它们合并吗？

如果合并，会有人注意到吗？引力波频率用赫兹表示：一赫兹就是每秒一个波。论文认为，这对黑洞的信号频率大约是十亿分之八十赫兹。论文说，未来Square Kilometre Array脉冲星计时计划，对二十多颗脉冲星计时超过十年后，最高可达

十亿分之一百赫兹。Square Kilometre Array是南非、澳大利亚在建的巨型射电天文台。注意：十亿分之八十赫兹是轨道频率，圆形轨道引力波频率是两倍。按我们的计算，这意味着信号接近十亿分之一百六十赫兹，刚好高于那个范围。

一个波经过这里，大约十周。LIGO二〇一五年捕捉的第一次碰撞，频率从大约三十五赫兹扫到二百五十赫兹，正是人耳能听到的音高。要让这对黑洞的引力波达到人耳最低可听音高，必须把它们加速大约一亿倍。NANOGrav搜索单独双黑洞，最敏感频率是约六纳赫兹，也就是十亿分之六赫兹。

下一个大型探测器是LISA，欧洲航天局二〇二四年一月批准的任务，预计二〇三五年前后发射。它由三艘航天器组成，成一边长约二百五十万公里的三角形，以激光相连。LISA探测的频率范围大约是万分之一赫兹到一赫兹。这适合探测质量约为十万个到一千万个太阳质量的合并双黑洞。

对于一个不自旋的圆形双星，按论文给出的质量估算，最后并合频率只有大约百万分之六赫兹。这个频率在微赫兹缺口，介于脉冲星计时和LISA计划探测范围之间。一项二〇二一年的研究称，这个频段是引力波天空覆盖范围中“最大的缺口”。目前计划中的主流探测器，都没专门设计来探测这个微赫兹缺口。

这段漫长缓慢的靠近，可能给脉冲星计时留下线索，也可能加快喷流节律，但还没有人证明这些变化能被探测到。

它是否已经发生？

最后说“一百年”。我们看到的马卡良五〇一的光，几亿年前就离开了那里。所以无论那里现在发生什么，我们都得等那里的光到达地球才能看见。如果这次合并一个世纪后才出现在天空中，它早已在马卡良五〇一发生。

只是消息还没传到。正如Popular Science所说，我们大概永远看不到真正的终场。很快能发生的是一次检验。如果这个短周期在新的、更频繁的观测中持续重复，双黑洞的想法就更有说服力。

如果它像其他候选者的信号一样渐渐消失，这个想法就会变弱。如果这个节律多年加快，就说明这对黑洞正螺旋式靠近。如果最终确认是双黑洞，就有力证明自然界确实能跨过最后秒差距障碍。在那之前，马卡良五〇一仍符合马克斯·普朗克学会标题中的说法。

一次探测，但要加上问号。