[비즈한국] 2015年，物理學家透過LIGO探測器捕捉到了由數億光年外兩個黑洞合併所引發的時空震動。當時在時空中留下“引力波”這一漣漪的，是質量約為太陽20到30倍的恆星級黑洞的碰撞。
自那以後，包括LIGO在內的許多引力波探測器捕捉到了各種恆星級黑洞的碰撞。然而，這些都只是質量僅為太陽幾十倍的小型輕量級恆星級黑洞。棲息在星系中心的，是更為巨大、等級無法相比的超大質量黑洞。它們擁有相當於太陽質量數百萬甚至數十億倍的巨大質量。這類超大質量黑洞是如何形成的，它們是否真的在星系碰撞過程中不斷拉近距離最終相撞，這些謎團至今尚未完全解開。
然而，詹姆斯·韋布空間望遠鏡成功捕捉到了有史以來最遙遠宇宙中發生的一對超大質量黑洞的碰撞現場！這一景象發生在大爆炸後僅7.4億年的極早期宇宙。距離現在足足有130億年！這一發現可能為揭示早期宇宙中星系中心的超大質量黑洞是如何演化增長的提供重要線索。
在星系中心的超大質量黑洞周圍，強大的引力捕獲了大量物質。這些物質以極高的速度盤旋並被加熱，這就是黑洞周圍的吸積盤。吸積盤可以被加熱到極高的溫度，從而使周圍的氫原子處於高度激發狀態，並在特定波長下發出明亮的光。關鍵點在於，黑洞周圍的吸積盤並非靜止不動，而是在以極高的速度旋轉。
由於這種高速旋轉，從地球觀測到的吸積盤氫光譜發射線會產生多普勒效應，導致波長變短或變長。從地球視角看，向遠離地球方向運動的盤面部分，其光譜會向較長波長偏移；而向地球靠近方向運動的盤面部分，其光譜則向較短波長偏移。
如果吸積盤是靜止的，觀測到的光譜將會是在特定波長處出現明顯訊號的尖峰狀。但由於吸積盤在快速旋轉，光譜會呈現出向前後波長展寬的形態。這種現象被稱為光譜線展寬。吸積盤的旋轉速度越快，線展寬的程度就越明顯。
擁有吞噬大量物質並噴射巨大能量的中心黑洞的活動星系，表現出非常獨特的光譜形態。環繞星系中心黑洞極近距離的區域旋轉速度極快，因此會觀測到非常平坦且寬闊的增寬譜線。相反，當進入遠離星系中心黑洞的區域時，氫雲的旋轉速度減慢，光譜線展寬的幅度也會變窄。特別是處於活躍成長期的活動星系，同時具有寬譜線和窄譜線兩種特徵。
在本次詹姆斯·韋布的觀測中，天文學家捕捉到了一個推測存在於約130億年前早期宇宙的模糊原始星系——Zs7。觀測組利用詹姆斯·韋布的分光觀測儀器NIRSpec對該星系中心進行了觀測。值得一提的是，這次觀測沒有使用將整個星系光譜混在一起的傳統方式，而是採用了更清晰地分辨影象中每一個畫素光譜的方法，這種技術被稱為整合視場單元（IFU）。
利用這一技術，不僅可以推斷整個星系中誕生了多少恆星以及黑洞的活躍程度，還能以更高的解析度區分並掌握星系內部各個區域恆星的誕生數量以及黑洞的活躍程度。
天文學家在Zs7星系中心確認了同時表現出寬譜線和窄譜線的獨特光譜形態。令人驚訝的是，這種光譜形態並非只在一個地方觀測到，在距離星系中心一定距離的兩個點也發現了同樣的情況！在圖片中星系中心右上方的位置，可以清楚地看到同時呈現出寬譜線和窄譜線兩種形態的氫光譜資料。相反，在圖片中星系的正中心，則只確認到了窄譜線形態的氫光譜。
基於此，天文學家推斷該星系中心至少有兩個超大質量黑洞共存。一個位於星系中心，另一個則位於稍微偏離中心的位置。利用同時顯示寬窄譜線的觀測資料，可以推算出星系中心黑洞的質量。天文學家推測，那個稍微偏離中心的超大質量黑洞的質量約為太陽的5000萬倍。這比我們銀河系中心約400萬倍太陽質量的黑洞要重10倍以上！這表明在宇宙年齡僅7億年的極早期，宇宙中就已經存在比我們銀河系中心還要重的超大質量黑洞了。
兩個如此巨大的超大質量黑洞聚集在近距離內，據推測是因為在早期宇宙中兩個星系發生了碰撞，導致各自攜帶的超大質量黑洞正在合併。當然，超大質量黑洞的碰撞和合並過程仍有許多未解之謎。與較輕的恆星級黑洞碰撞相比，超大質量黑洞碰撞的結局尚不明確。因為存在“最終秒差距問題”（final parsec problem），即當兩個超大質量黑洞靠近到一光年以內的距離時，它們的軌道可能不再收縮，而是維持穩定的軌道，最終無法完成合並。因此，這些居住在星系中心的重型黑洞是否真的透過相互合併來增加體量，尚不確定。
自2015年首次觀測以來，人類利用全球各地安裝的引力波探測器，一直在探測數億光年外較輕的恆星級黑洞碰撞。當碰撞留下的時空震動跨越數億年傳播到地球周圍時，透過檢測時空的細微震動來驗證引力波的存在。這就像姜太公在海面上垂釣，等待魚兒咬鉤。現在，我們正享受著不僅僅透過經典的電磁波（光），還透過引力波這一新波長觀測宇宙的全新時代。
但目前仍有限制。在地球上安裝的引力波“漁網”或“魚竿”的大小，終究不能超過地球。為了探測來自更遙遠宇宙、更為微弱的時空震動，需要比地球規模更大的引力波探測網。因此，天文學家正在準備2035年發射LISA任務，這是一個走出地球、在環繞太陽軌道上進行編隊飛行的空間引力波探測器。為了驗證LISA的技術可行性，前期工作“LISA探路者”已經取得了部分成功，計劃正順利進行中。
如果該任務順利實施，人類將進入一個不僅能探測相對近距離恆星級黑洞碰撞，還能探測數十億年前早期宇宙中超大質量黑洞碰撞所留下的引力波痕跡的時代。隨著探測器靈敏度的提升，我們將感受到一個怎樣波濤洶湧的宇宙？其實宇宙各地已經在頻繁發生大大小小的黑洞碰撞，導致時空整體呈現出複雜的動盪。只是因為那種震動過於微弱，讓我們覺得宇宙的時空依然平靜。但如果不久之後，我們能架起能夠感知更靈敏震動的“魚竿”來感知宇宙，那麼宇宙將不再是一個寂靜平和的世界。
透過這些觀測，我們或許能獲取關於從早期宇宙到今天，星系中心的重型超大質量黑洞究竟如何獲得現在的巨大體量，以及它們碰撞合併的最終結局究竟會如何等一系列未解之謎的關鍵線索。
參考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/355/7671512
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給大眾。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室研究星系透過相互作用進行的演化，同時參與講座和寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天想宇宙》、《星，光的科學》等書籍。