近日，中国科学院国家天文台研究人员陆由俊、闫昌硕和合作者发现在最近的类星体Markarian 231中隐藏的超大质量双黑洞。该项研究成果已经发表在国际期刊《天体物理杂志》（The Astrophysical Journal) 上（Yan, Lu, Dai, & Yu 2015, ApJ, 809, 117; DOI: 10.1088/0004-637X/809/2/117）。

那么黑洞是什么？双黑洞又是什么？Mararian 231中的双黑洞是人类发现的第一个双黑洞系统吗？这个工作为什么如此引人关注？

黑洞是什么？

插图：黑洞-想象图，插图来源于《星际穿越》电影。

和虫洞一样，黑洞也是爱因斯坦爷爷所提出的方程的一种解的形式所预言存在的。和虫洞不同的，黑洞是目前天文学家已间接和直接证明存在的一类天体。比如，我们的家——银河系中心有一颗超大质量的黑洞，质量大约是太阳质量的430万倍哦（天文学家通过经年的对多颗星体的监测，定位到星体所共同围绕的点，根据星体的运动信息（运动周期、半径等）推算出黑洞的质量）。

黑洞具有怎样的性质呢？任何质量的物体，都对应有一个成为史瓦西半径的临界半径，物体如果被压缩成球体，其半径小于这个临界半径后就会发生重力坍缩。一旦形成黑洞，就会在周围形成一个界面，这个界面（称为视界面）将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开，该界面以内的物质（包括光）都无法逃离，本身将继续收缩称为密度无限大的奇点。可以说光是我们了解信息的使者，如果连光都无法逃离该视界面，那就相当于没有使者告诉我们黑洞视界里面发生什么事情。

插图：黑洞视界，插图来源于Kip Thorne所著的《The Science of Interstellar》。

双黑洞

宇宙中，恒星也喜欢成双结对，星以群分。大约50%的恒星都处于双星系统，即两颗恒星在引力的作用下彼此束缚，绕着对方公转，有的时候还会因为太过靠近而发生碰撞。这就好像说明，距离产生美。

星系之间也常会成对出现，互相绕着对方舞蹈，交换物质。

那些致密的天体，例如白矮星、中子星甚至黑洞也是如此。因此有双黑洞，不奇怪！

双黑洞就是由两个黑洞构成的系统，这两个黑洞彼此绕转。

双黑洞的艺术想象图，图片来源：http://silkroad.bao.ac.cn/web

观测上告诉我们，大部分大质量星系中心都有一颗超大质量黑洞坐镇。根据冷暗物质宇宙模型，大质量星系是由小质量合并形成的。那么，我们将期待观测到更多的双黑洞系统。但是观测上有关超大质量双黑洞存在的证据并不多。

在一些活动星系核中，已经确定了存在双黑洞系统。如何确定的呢？这里列举一个常见的方法——基于光谱的发射线系统。最简单的理解是：如果每个黑洞以及它的吸积盘会产生一套宽发射线，那么整个双黑洞系统的光谱中将呈现两套宽发射线。科学家们通过这个判定依据，来寻找超大质量双黑洞系统。

找到双黑洞真的那么重要吗？

当然重要。

刚才我们也提到了，在标准冷暗物质宇宙模型中，大质量星系是由小质量星系合并而来的。而每个星系中又有一个黑洞。那么自然就会期待合并过程中，有双黑洞存在的一个阶段。如果我们看到了双黑洞，这何尝不是一个有力的证据，验证了星系演化模型的正确？除了验证之外，其重要意义还在于双黑洞为星系演化以及黑洞演化的研究提供了新的媒介。

星系的合并也是一个向中心输送气体，为黑洞提供吞噬物质的大事件，黑洞一旦活跃，原来不活动的星系将变得活跃，称为类星体。因此，双黑洞的寻找和证认对于研究类星体也具有重要的意义。

广义相对论告诉我们，物质决定时空弯曲，时空弯曲决定物质的运动。黑洞质量这么大，自然会对时空造成弯曲。双黑洞的相互绕转、合并会产生引力波，并且有可能被人类的引力波探测器看到。对双黑洞的观测以及理论研究，也是引力波领域一个重要方向。

我们找到双黑洞存在的证据了吗？

在活动星系核中已经确认了其中的超大质量黑洞还拥有一个黑洞伴侣，甚至在普通的星系中也看到了一个超大质量双黑洞。

2014年引人注目的双黑洞发现

引人注目点：论证了普通星系的首个双黑洞系统。

借助XMM-牛顿X射线望远镜，天文学家第一次在一个普通星系中观测到了一个超大质量双黑洞。该星系名叫SDSS J120136.02+300305.5。

该星系之所以引起天文学家们的注意是因为，当XMM-牛顿望远镜从一个观测目标转向另一个目标的过程中，恰好捕捉到位于其中心的超大质量黑洞正在吞噬恒星的信息。当黑洞吞噬一颗恒星时，它先将恒星撕裂再进食时释放大量的X射线——XMM-牛顿卫星捕捉到了这些X射线。但XMM-牛顿卫星的后续观测发现事情变得很奇怪：该事件的X射线在发现后继续发射一段时间就消失了，然后在距离发现第48天后却又再次出现。

为什么出现又消失了，然后又出现了呢？双黑洞！

北京大学物理学院天文系主任刘富坤教授和他的研究团队一直就致力于对双黑洞系统潮汐撕裂恒星的理论研究。2009年在他们发表的工作中就指出，当双黑洞潮汐撕裂一颗恒星时，恒星“悲剧性”地以细长的气体流形式被主黑洞吞噬，气体被加热产生强烈的X射线，这也是当年卫星刚开始捕捉到的X射线；但随后次黑洞不开心了，用它的引力对流向主黑洞的气体流次黑洞产生扰动（引力拖拽效应），暂时性地剥夺了主黑洞的食物，观测上表现出来的是X射线波段的辐射消失了；但是，次黑洞的引力拖拽效应只是暂时性的，不久主黑洞又恢复了它的进食和X射线闪耀。

图片是对这个双黑洞系统的艺术想象图。该图片和入选主题介绍全文发布在NASA网站“PICTURE OF THE WEEK”上。

2014年，刘富坤教授与国家天文台李硕博士、德国马克思－普朗克学会射电天文研究所斯蒂芬妮·科摩萨（Stefanie Komossa）博士合作，通过数值模拟和严格理论分析论证发现，星系SDSS J120136中存在着一对隐匿的超大质量双黑洞。他们发现，有两套双黑洞系统情形可完美重构SDSS J120136的观测结果。他们的工作发表在美国《天体物理学》杂志。

2015年引人注目的双黑洞工作

引人注目点：在最近的类星体中寻找到存在超大质量双黑洞的有力证据；首次使用了类星体光学紫外辐射确实这一新方法来搜寻双黑洞。

中国科学院国家天文台研究人员陆由俊、闫昌硕和合作者发现在最近的类星体Markarian 231中隐藏的超大质量双黑洞。

他们基于对Markarian 231的光学紫外连续谱的分析，发现了不同寻常的现象——相比于单个黑洞周围的吸积盘发出的紫外辐射，这个源的紫外辐射呈现突然减弱的现象。

Markarian 231的光学紫外辐射谱示意图，图片版权：NASA, ESA和P. Jeffries (STScI)。

据陆由俊老师介绍，如果类星体中心只有一个黑洞时，那么它将产生大量的紫外波段辐射。但是，观测显示出来自盘中心的紫外辐射更弱。对这一现象最好的解释是，这个源中心是一对超大质量黑洞，它们的相互绕转让原来实心的吸积盘变成了有间隙的吸积盘，盘内区的物质被扫除殆尽。

他们进行了数值模拟，重构出观测上的紫外辐射谱。模型中的主黑洞质量约1.5亿个太阳质量，次黑洞与我们银河系中心超大质量黑洞相当，约4百万个太阳质量。

该文定性：编写，不算全部原创！