斯皮策望远镜揭示黑洞舞蹈的精确时间

　　这张图片显示了OJ 287星系中的两个巨大黑洞。较小的黑洞围绕较大的黑洞运行，大黑洞也被一盘气体包围。当较小的黑洞穿过圆盘时，它会产生一颗亮度超过1万亿颗恒星的耀斑。
　　黑洞在太空中不是静止的；事实上，它们在它们的运动中是相当活跃的。但是因为它们是完全黑暗的，不能被直接观察，所以它们不容易被研究。科学家们终于找到了两个巨大黑洞之间复杂舞蹈的精确时机，揭示了这些神秘宇宙物体的物理特征的隐藏细节。
　　OJ 287星系拥有有史以来最大的黑洞之一，其质量是太阳的180亿倍。绕着这个庞然大物运行的是另一个黑洞，它的质量是太阳的1.5亿倍。每12年，较小的黑洞两次撞击其周围巨大的气体盘，形成一束比一万亿颗恒星还亮的闪光--甚至比整个银河系还亮，光需要35亿年才能到达地球。
　　OJ 287星系拥有有史以来最大的黑洞之一，其质量是太阳的180亿倍。环绕这个庞然大物运行的是另一个巨大的黑洞。每12年两次，较小的黑洞撞击其周围巨大的气体盘，创造出比1万亿颗恒星还亮的闪光。但是耀斑的发生非常不规则，因为这个双黑洞系统的物理是复杂的。现在，科学家已经对该系统进行了足够准确的建模，以预测耀斑在4小时内的时间。
　　但是较小的黑洞的轨道是长方形的，不是圆形的，而且是不规则的：它在较大的黑洞周围移动每一个环的位置，并且相对于气体盘倾斜。当较小的黑洞穿过盘时，它会产生两个膨胀的热气气泡，它们从盘向相反的方向移动，在不到48小时内，系统的亮度就会翻两番。
　　由于轨道不规则，黑洞在每12年的轨道上都会在不同的时间与磁盘发生碰撞。有时耀斑出现的间隔只有一年，而另一些时候，相隔10年。对轨道进行建模和预测耀斑发生的时间花费了几十年的时间，但在2010年，科学家们建立了一个模型，可以在一到三周内预测耀斑的发生。他们通过预测2015年12月到三周内耀斑的出现，证明了他们的模型是正确的。
　　然后，2018年，印度孟买塔塔基础研究学院(Tata Institute Of Basic Research)的研究生兰克斯瓦尔·迪伊(Lankeswar Dey)领导的一组科学家发表了一篇论文，他们声称，这篇论文的模型更加详细，他们声称能够预测未来4小时内的耀斑时间。在.新研究刊登在＂天体物理杂志通讯＂上的这些科学家报告说，他们对2019年7月31日发生的耀斑的准确预测证实了这个模型是正确的。
　　对那次耀斑的观察几乎没有发生。由于OJ 287位于太阳与地球的对立面，在地面和地球轨道上的所有望远镜的视线之外，直到9月初，即耀斑消退很久之后，黑洞才会重新出现在这些望远镜的视野中。但是这个系统美国宇航局斯皮策太空望远镜，该机构于2020年1月退休。
　　经过16年的运行，航天器的轨道使其离地球1.58亿英里(2.54亿公里)，相当于地球与月球之间距离的600多倍。从这个有利位置，斯皮策可以从7月31日(耀斑预计出现的同一天)到9月初观测到这个系统，那时OJ 287将在地球上的望远镜上被观测到。
　　＂当我第一次检查OJ 287的能见度时，我震惊地发现，在下一次耀斑发生的那天，斯皮策就能看到它，＂加州帕萨迪纳加州理工学院/IPAC的助理工作人员塞普·莱恩(Seppo Laine)说。他负责斯皮策对该系统的观测。＂非常幸运的是，我们能够用斯皮策捕捉到这一耀斑的顶峰，因为没有其他人工制造的仪器能够在那个特定的时间点实现这一壮举。＂
　　空间涟漪
　　科学家们经常对太阳系中的小天体的轨道进行建模，就像一颗围绕太阳旋转的彗星，同时考虑到对它们运动影响最大的因素。对于那颗彗星来说，太阳的引力通常是主导力量，但是附近行星的引力也会改变它的轨道。
　　确定两个巨大黑洞的运动要复杂得多。科学家必须解释那些可能不会明显影响小物体的因素，其中最主要的是一种叫做引力波的东西。爱因斯坦的广义相对论将引力描述为物体质量对空间的扭曲。当物体在空间中移动时，扭曲就会变成波浪。爱因斯坦在1916年预言了引力波的存在，但直到2015年才被直接观测到。激光干涉仪引力波天文台(LIGO)。
　　物体的质量越大，它所产生的引力波就越大，能量也就越大。在OJ 287系统中，科学家们预计引力波如此之大，以至于他们能够携带足够的能量离开这个系统，从而可测量地改变较小的黑洞的轨道，从而改变耀斑的时间。
　　虽然以前对OJ 287的研究已经解释了引力波，但2018年的模型是迄今为止最详细的。通过吸收从LIGO探测到的引力波中收集到的信息，它细化了一次耀斑发生时间仅为1/2天的窗口。
　　为了将耀斑的预测进一步细化到4个小时，科学家们对大黑洞的物理特性进行了详细的折叠。具体来说，新模型包含了黑洞的＂无头发＂定理。
　　这个定理是20世纪60年代由包括史蒂芬·霍金在内的一群物理学家发表的，它预测了黑洞＂表面＂的性质。虽然黑洞没有真实的表面，但科学家们知道黑洞周围有一个边界，超过这个边界，任何东西--甚至光--都无法逃脱。有些观点认为，外缘，即事件视界，可能是颠簸的，也可能是不规则的，但无毛定理假设＂表面＂没有这样的特征，甚至连头发都没有(这个定理的名字是个笑话)。
　　换句话说，如果一个人沿着它的旋转轴将黑洞切到中间，它的表面将是对称的。(地球的自转轴与其南北极几乎完全一致。如果你沿着这个轴将行星切成两半，并将这两部分进行比较，你会发现我们的行星基本上是对称的，尽管海洋和山脉等特征在这两部分之间会产生一些微小的变化。)
　　求对称性
　　20世纪70年代，加州理工学院名誉教授基普·索恩(KipThorne)描述了这种情况--一颗围绕巨大黑洞运行的卫星--可能会揭示黑洞表面是光滑的还是颠簸的。通过精确地预测小黑洞的轨道，新模型支持无发定理，这意味着我们对这些不可思议的宇宙物体的基本理解是正确的。换句话说，OJ 287系统支持黑洞表面沿其旋转轴对称的观点。
　　那么，大质量黑洞表面的光滑性是如何影响小黑洞轨道的时间的呢？这个轨道主要是由较大黑洞的质量决定的。如果它变得更大或失去一些重量，这将改变更小的黑洞的轨道的大小。但质量物质的分布也是如此。大黑洞一侧的巨大凸起会扭曲周围的空间，与黑洞对称的情况不同。这将改变较小黑洞的路径，因为它绕着它的同伴运行，并可测量地改变黑洞在特定轨道上与圆盘碰撞的时间。
　　芬兰图尔库大学(University Of Turku)天体物理学家、论文合著者莫里·瓦尔托宁(Mauri Valtonen)说，＂对黑洞科学家来说，我们必须证明或证明无头发定理。没有它，我们就无法相信霍金和其他人设想的黑洞存在。＂
　　斯皮策科学数据继续由科学界通过位于帕萨迪纳加州理工学院IPAC的红外科学档案馆的Spitzer数据档案进行分析。JPL为美国宇航局在华盛顿的科学任务管理局管理斯皮策任务运作。科学操作是在加州理工学院IPAC的斯皮策科学中心进行的。太空船的基地设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁航天公司(Lockheed Martin Space)。加州理工学院为NASA管理JPL。