小黑洞可以與難以捉摸的超大質(zhì)量黑洞對(duì)進(jìn)行“捉迷藏游戲” _黑洞

超大質(zhì)量黑洞雙星的圖示（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局）
據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（Robert Lea）：天文學(xué)家可以在“捉迷藏游戲”宇宙游戲中使用小黑洞的雙星配對(duì)來(lái)尋找更大、更難以捉摸的超大質(zhì)量黑洞雙星。因此，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助解決超大質(zhì)量黑洞在早期宇宙中如何快速增長(zhǎng)的謎團(tuán) 。
盡管黑洞被譽(yù)為可怕的宇宙巨人，但探測(cè)它們并非易事。所有黑洞都被一個(gè)稱為“事件視界”的單向光捕獲邊界包圍，以確保它們不發(fā)光。即使是質(zhì)量是太陽(yáng)數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億倍的星系中心的超大質(zhì)量黑洞，也只有在吞噬大量周圍物質(zhì)或撕裂一顆不幸的恒星時(shí)才是“可見的” 。
然而，光，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)是“電磁輻射”，只是一種輻射。另一種是“引力輻射”，它以微小的漣漪的形式出現(xiàn)，使時(shí)空嗡嗡作響，被稱為“引力波”，人類才剛剛開始探測(cè)到。這意味著天文學(xué)家不必在這場(chǎng)捉迷藏游戲游戲中尋找超大質(zhì)量黑洞對(duì) ，而是可以傾聽它們。

二元黑洞像帶有引力波的鐘一樣在時(shí)空中振鈴的圖示。（圖片來(lái)源：ESA–C.Carreau）
馬克斯·普朗克天體物理研究所博士后研究員、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人雅各布·斯蒂格曼在一份聲明中表示：“我們的想法基本上就像收聽無(wú)線電信道一樣。我們建議使用來(lái)自成對(duì)小黑洞的信號(hào)，類似于無(wú)線電波攜帶信號(hào)的方式。” 。“超大質(zhì)量黑洞是在檢測(cè)信號(hào)的調(diào)頻（FM）中編碼的音樂(lè) 。”
小黑洞女高音
引力波是阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的代表作《廣義相對(duì)論》中首次提出的概念。
廣義相對(duì)論認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)具有質(zhì)量的物體“扭曲”空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)時(shí)，引力就會(huì)產(chǎn)生，愛因斯坦之前將其統(tǒng)一為一個(gè)稱為“時(shí)空”的四維實(shí)體（三個(gè)空間維度，一個(gè)時(shí)間維度）
質(zhì)量越大，對(duì)象創(chuàng)建的空間曲率極值就越大。這就解釋了為什么行星的引力影響比衛(wèi)星大，為什么恒星的影響比行星大，為什么黑洞的影響比任何單個(gè)物體都大。

一幅插圖顯示了一個(gè)黑洞在時(shí)空中引起“暴跌”扭曲。（圖片來(lái)源：Robert Lea（與Canva共同創(chuàng)作））
愛因斯坦還預(yù)測(cè)，當(dāng)物體在時(shí)空中加速時(shí)，它們會(huì)使其結(jié)構(gòu)發(fā)出漣漪或引力波的“振鈴” 。這些對(duì)于低質(zhì)量的物體來(lái)說(shuō)是完全微不足道的，但當(dāng)黑洞圍繞彼此運(yùn)行時(shí)（記住圓周運(yùn)動(dòng)是加速度），它們有足夠的質(zhì)量來(lái)產(chǎn)生顯著的引力波。
當(dāng)這些黑洞相互盤旋時(shí)，它們會(huì)發(fā)出連續(xù)的低頻引力波。這些引力波帶走角動(dòng)量（或自旋），迫使黑洞聚集在一起，這一過(guò)程稱為“吸氣” 。這增加了引力波的頻率，從而導(dǎo)致角動(dòng)量越來(lái)越快地被帶走。
直到黑洞最終碰撞并合并，這一事件會(huì)發(fā)出更高頻率的引力波“尖叫” 。

顯示二元黑洞在合并過(guò)程中發(fā)射的引力波頻率的圖表（圖片來(lái)源：LIGO）
即便如此，愛因斯坦預(yù)測(cè)，這些時(shí)空漣漪將太微弱而無(wú)法探測(cè)到，尤其是當(dāng)它們?cè)谟钪嬷袀鞑r(shí)會(huì)失去能量，黑洞合并發(fā)生在數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億光年之外。
幸運(yùn)的是，我們現(xiàn)在知道愛因斯坦錯(cuò)了。
自2015年激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到第一個(gè)引力波信號(hào)以來(lái)，已經(jīng)探測(cè)到許多這樣的黑洞碰撞，該信號(hào)源自13億光年外的二元黑洞合并。
但這些檢測(cè)有一個(gè)共同點(diǎn) 。當(dāng)它們涉及黑洞時(shí)，它們總是恒星質(zhì)量黑洞范圍內(nèi)的成對(duì)，質(zhì)量在太陽(yáng)的三倍到幾百倍之間。對(duì)于LIGO及其同胞意大利的VIRGO和日本的神岡引力波探測(cè)器（KAGRA）等地球引力波探測(cè)器來(lái)說(shuō)，超大質(zhì)量黑洞合并一直是難以捉摸的。

重力波譜圖。（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心）
正如我們的耳朵已經(jīng)進(jìn)化到能聽到某些頻率的聲音，而不能聽到其他頻率的聲音一樣，這些儀器只能檢測(cè)到一定頻率范圍的引力波。旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞對(duì)發(fā)出的引力波頻率太低，地面引力波探測(cè)器無(wú)法“聽到”
換句話說(shuō)，利用引力波，恒星質(zhì)量雙星唱女高音，而超大質(zhì)量雙星唱男中音。
該團(tuán)隊(duì)建議檢測(cè)恒星質(zhì)量黑洞雙星引力波的細(xì)微變化，這些變化是由超大質(zhì)量雙星的干擾引力波引起的。
因此，這些微小的調(diào)制可能有助于揭示超大質(zhì)量黑洞合并，目前只能通過(guò)使用大量快速旋轉(zhuǎn)的中子星（稱為“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”）作為集體“背景嗡嗡聲”來(lái)檢測(cè)
Stegmann說(shuō)：“這個(gè)想法的新穎之處在于利用易于檢測(cè)的高頻來(lái)探測(cè)我們還不敏感的低頻。” 。
該提案還可以幫助指導(dǎo)未來(lái)引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)，例如即將推出的美國(guó)國(guó)家航空航天局和歐洲航天局（ESA）天基探測(cè)器LISA（激光干涉儀空間天線）。
“隨著LISA的路徑現(xiàn)在已經(jīng)確定，在去年1月被ESA采用后，社區(qū)需要評(píng)估下一代引力波探測(cè)器的最佳策略，”團(tuán)隊(duì)成員、蘇黎世大學(xué)黑洞理論家Lucio Mayer說(shuō) 。“特別是，他們應(yīng)該瞄準(zhǔn)哪個(gè)頻率范圍——這樣的研究為優(yōu)先考慮分赫茲（低頻）探測(cè)器設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)烈的動(dòng)力。”
該團(tuán)隊(duì)的研究于周一（8月5日）發(fā)表在《自然》雜志上。