黑洞之舞

2015年底，特殊的类星体OJ287迎来了30年以来最强烈的一次爆发。研究者认为，那里存在两个大质量的黑洞，它们相互环绕并严格的遵循着广义相对论。

越复杂的物理理论，越需要极端的条件去检验。爱因斯坦100年前公开发表的广义相对论中叙述道：在各种存在弯曲时空的质量体之间的引力，正是由这些质量体本身产生的。这是一条迄今为止仍然经得住考验的立论。但是这种相对作用在生活中几乎不可被察觉，因此牛顿相对简单的万有引力定律依旧被广泛的应用着。在距离地球35亿光年，巨蟹座的方向的一个角落，爱因斯坦的方程似乎引导着我们。

类星体OJ287就在这个巨蟹座的角落里，它2015年的年底受到了众多天文学家的关注。这是因为OJ287出现了一次30年来最强烈的稀有的明亮爆发。芬兰图尔库大学的Mauri Valtonen 报告：2015年12月5日类星体OJ287的最大光度达到了12.9mag。虽然它比肉眼可见的恒星暗弱上千倍，但业余天文爱好者也能用一般大小的望远镜观察到它。OJ287在2005年和2007年处在活跃期（见图）。当时Valtonen和他来自欧洲、中国和日本的同事们一起成功预测爆发的时间点。他们的成功引起了人们的关注，Valtonen表示，对此印象十分深刻：科学家此时对于类星体的已经有了更深入的了解，爱因斯坦的理论即使在宇宙深处的角落也描述的如此完美。

人们早在19世纪末就发现了OJ287的爆发现象。最初天文学家用这样一个令人信服的模型解释其来源：类星体的“马达”，就是一个大质量的黑洞，180亿倍太阳质量的物质汇聚在星系中心。黑洞从吸积盘上得到气体并将其加热到十分高的温度，发出所有波长的电磁辐射。类星体（Quasar）这个词语便是来自“quasistellar Radioquelle”（英：“Quasistellar Radio Source”类星辐射源）。

因为OJ287的特殊性，天文学家们大量的研究了这个活跃的星系核。1982年芬兰天文学家Aimo Sillanpää发现了爆发的规律：每11到12年会有两次特别强烈的爆发，并且两次爆发的时间间隔大约是一年。Sillanpää提出，这样的规律是应为存在第二个黑洞，它围绕着大质量黑洞公转，轨道呈狭长椭圆，周期约为12年。当第二个黑洞与大质量黑洞的吸积盘相撞或两个黑洞十分接近时，吸积盘中物质的温度升高并发出强烈的电磁暴，我们称其为flare（耀斑）（见图）

Valtonen和他的同事们成功的预测有力的证明了这个规律：在2005年第一次观测到强烈爆发后，研究者们计算出了于2007年9月13号的第二次碰撞发生的时间。其结果的误差只有6个小时。预测的成功，是因为科学家注意到了广义相对论的两个现象：一方面是相对的近点进动(Apsidal precession)现象，就是说两个黑洞的相距最近的点在周期的运动。在这个双黑洞系统中，运行每周该点会移动的39°，这是一个很大的角度而且是现发现在宇宙中最大的近点移动现象（见图）。如果没有注意到这个现象，预测日期将会提前10天。

第二个现象更为显著：由于引力波的辐射，这个双黑洞系统失去了稳定的能量，在运行的同时其相对距离越来越小。引力波不存在经典引力理论中，它在广义相对论中才被提出。若是忽视了这一点，预测则要晚20天之久。科学家们还准确的计算出了这个较小黑洞的质量。它总计1亿倍太阳质量——虽然它的质量比OJ287中180亿倍太阳质量的大黑洞小很多，但它的质量也有我们银河系中心的黑洞的25倍。

Valtonen和他的团队预测下一次相撞的时间在2016年一月初，然而大约三周以来在两个方面没有准确的答案（见图）。“这次爆发在2015年12月初已经发生了，我们由此了解到，大黑洞的自转对预测结果的影响，这和现有的观察结果会帮助我们完善模型。”

对于第二个黑洞存在的最后怀疑也被消除了：“很久以来我们只能间接的证明第二个黑洞穿过了主黑洞的吸积盘，从类星体那儿接收到的辐射完全来自于大黑洞和碰撞产生的热辐射。” Valtonen说“而现在看来，这次爆发所含的辐射一半直接来自第二个黑洞——在这之后我们便第一次直接证明了第二个黑洞的存在。”

由于这两个黑洞旋转的特殊，天文学家会在接下来的几年亲眼见证它们的舞蹈：由于近点进动现象，较小黑洞的公转轨道将与大黑洞吸积盘的平面平行。Valtonen解释道：约在2019年7月和2022年的7月接下来的碰撞将会发生，而在30年代它们又会恢复到通常的形态。对于这个预言，我们相信广义相对论也会取得接下来的胜利。从长看，这个双黑洞系统的命运已是定数：在大约10000年内，两个黑洞通过引力波辐射出大量的能量，它们会合而为一，形成一个更大的黑洞。

原文载于《Sterne und Weltraum》