黑洞相遇并合并在宇宙中是存在的,这种情况一般发生在双黑洞系统中。

图:双黑洞系统

双黑洞系统是两颗大质量恒星组成的双星系统在核聚变燃料消耗殆尽后,发生重力坍缩分别形成了黑洞。两个黑绕着它们之间的公共质点公转,在公转过程中会产生引力波,并消耗其自身动能。随着动能的消耗,它们的公转周期也越来越短,相互之间也越靠越近,这个过程被称为旋进。它们最后会合并成一个黑洞。

合并后的单一黑洞会进入一个叫​铃宕(ring-down)的阶段,它震荡产生的形变会产生更多的引力波,并向周边扩散并逐渐减弱。在合并期间释放出的引力波消耗了黑洞大量的能量,故此,合并后黑洞的质量略小于两个黑洞质量之和。根据爱因斯坦的质能公式:E=mc²,质量和能量实际上是等价的,所以,消耗的能量等于它们失去的质量。

图:LIGO原理图

图:LIGO,有两套位于不同地点的系统​​,互为应证。

在2015年,LIGO(激光干涉引力波天文台)证实了引力波的存在。LIGO系统是探测引力波的一种大型物理实验和天文观测台,分别在美国华盛顿州的汉福德与路易斯安那州的利文斯顿建有两个几乎完全相同的大型激光干涉仪,这是为了防止由其他情况引起的误判。两个激光干涉仪的测量结果可以互为应证。

这两个干涉仪的臂长达到了4千米,这使得干涉臂的长度即使发生小于电子直径的万分之一的变化也能够被探测出来。LIGO所观测到的引力波就是由13亿光年外的两个黑洞合并时发出的。这两个黑洞质量分别为36个太阳质量和29个太阳质量。合并后的质量约为62个太阳质量,损失了约3个太阳的质量。这也证实了广义相对论的精确预言。LIGO团队也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

图:马卡仁231星系​

还有一种双黑洞系统是由两个超大质量的黑洞构成,这源于两个星系的合并。所有的星系核心都有一个超大质量的黑洞,质量普遍在数十万个太阳质量以上,甚至能够到达数十亿个太阳质量。

2015年,NASA公布了由我国科学家使用哈勃太空望远镜发现的马卡仁231星系核心处为双黑洞系统。其中的主黑洞质量为1.5亿个太阳质量,伴黑洞质量为400万个太阳质量。伴黑洞被认为是与马卡仁231星系合并的小星系的核心黑洞。

星系合并在宇宙中是经常发生的,银河系也是由不断合并壮大的,它可能在30亿年后与仙女座星系合并。

图:哈勃望远镜拍摄到的合并中的星系

我国计划中的“天琴”引力波探测卫星,由在地球轨道上的3个卫星组成。它的臂长有 17000 km,其探测频率约可低到0.01 Hz,这个频率适合探测星系核心处的超大质量黑洞所引起的低频引力波。它比LIGO多设计了一个光学辅助手段。此外,与LIGO只适合探测短时爆发型引力波不同的是:天琴可以探测到低频段的连续型引力波,可以持续验证。

天琴和LIGO各有所长,就像收音机的不同波段能接受到不同无线电波一样。另外,欧洲也有计划发射空间引力波探测器。三个大型引力波探测器将互为应证和补充。届时,天文学将掀开新的篇章,一大波诺奖级别新发现将陆续展现在人们眼前……