天文|史匹哲太空望远镜揭示了黑洞间交织的准确时间太空望远镜|黑洞|

引力波对天体运动影响甚微？并非如此

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实际上，黑洞在宇宙中并不是完全静止，他们会运动，而且运动的相当活跃。不过，因为他们的看上去完全漆黑一片让我们无法对他们进行直接的观测，这也使黑洞的研究不那么容易。最终，科学家门终于找到了两个巨型黑洞随着时间推进的位置变化关系，这也揭示了黑洞这样神秘天体的许多神秘特性。

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在OJ 287星系有着一个我们目前所知最大的黑洞——质量等同于太阳的180亿倍，而在这庞然大物周围也环绕着另一个质量等同于1.5亿个太阳的黑洞。每隔12年，较小的黑洞就会两次与较大黑洞周围巨大的气环发生碰撞。碰撞产生了比一万亿颗恒星、甚至比整个银河系还要明亮的光，不过这样的闪光花费了35亿年才抵达地球。
不过，这两个黑洞中较小的黑洞轨道并不是标准的完全的圆形，而是不规则的椭圆：随着每一圈围绕着较大的黑洞旋转，较小的那个黑洞会相对于气盘发生倾斜，改变它的位置。当较小的黑洞与气盘发生碰撞，这样的碰撞会产生两个不断膨胀的气泡。气泡会朝着碰撞的相反方向远离气盘，并且在48小时内，这个黑洞系统的亮度会增加四倍。

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正因为这个黑洞系统的轨道是不规则的，在过去12年间，这两个黑洞在不规则的时间段发生碰撞——两次闪光间的时间差有时长达十年，又有时仅仅只有一年。因为闪烁的间隔时间长，为这个黑洞系统建立模型并对碰撞发生的闪光进行预测所花的时间，可能长达数十年。不过所幸，科学家们在2010年完成了对这个黑洞系统的建模，并以1-3周的误差成功预测了闪烁发生的时间，例如他们在2015年成功以三周的误差预测了闪烁的发生。
之后，由印度塔塔基础研究院的硕士生兰克斯瓦?戴伊带领的科学团队，于2018 年发布一篇论文指出他们有一个更加强大的模型能够以最多四小时的误差这个黑洞系统的闪烁。最终，这个科学团队在《天体物理学报通讯》中发布了他们的预测数据，并成功预测了于2019年7月31日的黑洞系统闪烁。
对于大多数望远镜来说，几乎是不可能观测这个黑洞系统的闪烁的，因为OJ 287在大多数时候位于相较于地球的太阳背面，因此整个闪烁过程常常都不在这些望远镜的观测范围内。但是幸运的是，美国航空航天局的史匹哲太空望远镜（已于2020年1月停止服役）正好能够观测到这个黑洞系统。

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在经过16年的操控于调整，这个太空望远镜的轨道最终坐落在了相距地球2.54亿公里（1.58亿英里）的位置，相当于地月距离的600倍。在这里， OJ 827黑洞从 7月31日（正是印度研究团队预测的闪烁发生的那一天）到九月上旬正好在望远镜的观测范围内。

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“当我第一次发现OJ 287黑洞处于望远镜的视野中时，我惊讶的发现这天正好是预测中闪烁即将发生的时间， ”在位于加州帕萨迪纳市加州理工学院的IPAC研究团队（这个研究团队与美国航空航天局、喷气动力实验室、美国国家科学基金会合作以更先进的方式探索宇宙）助理科学家赛伯?莱恩说到， “能够观测到这个黑洞系统的闪烁真的非常幸运，因为当时除了史匹哲太空望远镜以外，没有其他的人造观测设备能够有幸观测到闪烁。 ”赛伯?莱恩在团队里负责审视望远镜的观测数据。
宇宙空间中的涟漪
科学家们会定期对宇宙中的小型天体建立模型，尽可能的考虑到影响他们轨迹运动的所有因素（这样才能使模型更精确），比如环绕太阳运动的彗星。对于这些彗星，尽管太阳的引力确实是它最主要受到的力，但它的轨道周围天体引力对它轨道的影响也是不可忽视的。

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相较于对这些小行星的运动轨迹进行建模预测，巨大的黑洞模型显得复杂了太多。在对OJ 287黑洞系统的建模过程中，科学家们必须留意那些对小行星来讲不值一提的影响，否则结果将会千差万别，尤其是引力波。爱因斯坦相对论提出，引力的本质实则是空间被物体的质量扭曲。当物体在空间中运动，这种扭曲就呈现出了波的性质。引力波的理论是爱因斯坦于1916年提出的，但相距它被我们观测到有足足近100年，它被激光干涉引力波天文台（LIGO）于2015年正式观测并证明。分页标题
更大的天体就意味着会产生更强的引力波。在OJ 287黑洞系统中，科学家认为质量大的黑洞有足够的质量产生足够强的引力波，以至于这束引力波能够明显改变较小黑洞的运动轨道，也意味着能够改变闪烁的时间。
尽管此前，许多研究已经证明了， OJ 287黑洞系统会受到引力波的显著影响，但是只有2018年提出的这个模型能够很好的诠释引力在黑洞之间的作用。这个模型整合了激光干涉引力波天文台的观测数据，将对闪光预测结果的误差缩小到了1.5天。
这个模型又经过了之后的调试优化，将较大黑洞的许多物理特征纳入考虑，尤其是所谓的黑洞“无毛”定律，将误差进一步的缩小到了4小时。

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“无毛”定律是由一个史蒂芬·霍金在内物理学见团队提出。因为黑洞的特性，它并没有我们认为的“表面” ，仅有一个看不见摸不着的边界——一旦跨越边界，一切，甚至光速都无法逃脱黑洞。很多猜测提出，撕裂边界，也就是我们所说的黑洞边界，应该是不平整、不规则的。但是，霍金团队提出的“无毛”定律则提出，这个边界并非如此，而应该是平整的，甚至是“连一根毛”都没有，这也是为什么这个定律被称为“无毛”定律。
换句话说，如果在黑洞的中轴线上切一刀，那么被切开的两部分会是对称的，正如我们的地球那样，当我们将地球从北极到南极切一刀，那么东西两边应该是几乎对称的，当然这要建立在忽略掉地球表面跌宕起伏的前提下。
探索“无毛”定律

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在上世纪70年代，加州理工学院名誉教授教授基普·索恩讲解了如何通过环绕着巨大黑洞的卫星证明宇宙的边缘究竟是粗糙还是平整。而在OJ 287黑洞系统中，以“无毛”定律为基础建立的模型能够准确的预测其中较小黑洞的运动，进一步的印证了对这一宇宙奇妙天体特性的猜想是正确的——它肯定了黑洞相对于其旋转轴的对称性。
那么， “无毛”定律又是如何影响较小黑洞的轨道随时间的变化呢？事实证明，较小黑洞的轨道变化很大程度的依赖于较大的黑洞。如果较大黑洞的体积或质量变化将改变较小黑洞的轨道的半径。不仅如此，较大黑洞的质量分布也很重要。想象一下，如果较大黑洞一侧的凸起，凸起处更大的质量会对时空造成不同的扭曲，改变较小黑洞的回道路径，从而造成与较大黑洞气盘的碰撞。

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“证实或者推翻‘无毛’定律对研究黑洞的科学家们至关重要， ”芬兰图尔库大学的天文物理学家毛利·瓦尔托宁和另一个论文协作家称， “若无法得知其正确与否，我们将完全无法相信霍金提出的那些假想黑洞，甚至其他的黑洞。 ”
学术界将会持续对史匹哲太空望远镜返回的数据进行分析，这些数据都储存在了位于帕萨迪纳市加州理工学院IPAC项目的红外数据科学档案馆。位于华盛顿的喷气动力实验室将会操控史匹哲太空望远镜为NASA科学任务理事会服务。同时，以科学研究为目的的望远镜操控也能够在加州理工IPAC项目的史匹哲科学研究中心执行。当然，这台望远镜的操控总部位于科罗达多州利特尔顿的洛克希德·马丁航天集团，而加州理工负责为NASA管理喷气动力实验室
作者：Calla Cofield
FY： Wenky
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【天文|史匹哲太空望远镜揭示了黑洞间交织的准确时间】