宇宙“黎明时分”的大黑洞是怎么长成的？科学家用“宇宙时钟”听出新答案

詹姆斯·韦布空间望远镜近年发现，在宇宙诞生后仅几亿年，就已经存在大质量星系和超大质量黑洞。这给天文学家出了个难题：黑洞如何在这么短时间里，形成并迅速增长至最高达百亿倍太阳质量？

日前，北京师范大学文理学院和天文与天体物理前沿科学研究所朱兴江教授团队联合帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）合作组，在国际物理学顶级刊物《物理评论快报》上发表了一项研究，首次利用脉冲星计时阵的真实观测数据，对宇宙黎明时期的超大质量双黑洞给出观测限制，为回答这个问题提供了新途径。

利用脉冲星计时阵探测宇宙黎明时期双黑洞辐射的引力波的艺术想象图（图源：OzGrav / Swinburne / Carl Knox）

如果把宇宙138亿年历史压缩成一天，最初几亿年就像黎明时分。那时第一批星系和黑洞刚刚出现。韦布望远镜却发现，黎明中已经站着“巨人”。现有理论很难解释它们是如何在短时间内形成并迅速增长的。一个可能答案是：早期黑洞通过双黑洞并合快速长大。而引力波，是唯一能直接“听到”这种并合的窗口。因为双黑洞本身不发光，它们在黑暗中互相绕转、最终并合，你看不见它们，但它们会搅动时空，发出引力波。

问题是，这种引力波极其微弱，怎么听？研究团队使用的工具是脉冲星计时阵。脉冲星是大质量恒星死亡后留下的致密残骸，像灯塔一样稳定旋转，其射电束周期性扫过地球，形成规律的脉冲信号。有些脉冲星的信号极其准时，堪称“宇宙中的天然时钟”。当引力波穿过地球和脉冲星之间时，会微小改变脉冲到达时间。通过长期监测多颗脉冲星，科学家就能寻找时空中的涟漪。

此次，研究团队利用帕克斯脉冲星计时阵第三次数据发布，包含32颗脉冲星、约18年的观测数据。他们重点考察了两个目标：红移6.327的超亮类星体J0100+2802，对应宇宙约8.7亿岁，中心黑洞约120亿倍太阳质量；韦布发现的红移14.32的星系JADES-GS-z14-0，对应宇宙约2.9亿岁。这两个天体本身已由电磁波观测确认存在，但它们中心是否是一对双黑洞，目前未知。一个代表“目前最可能听到”，一个代表“能够探测的最遥远真实目标”。

结果如何？研究团队没有探测到引力波信号。但他们在一定频率范围内给出了95%置信度的引力波强度上限，再翻译成双黑洞的质量上限，排除了啁啾质量约百亿倍太阳质量的系统。啁啾质量是双黑洞组合后的有效质量，在等质量假设下，这相当于两个各约115亿倍太阳质量的黑洞绕转组成的双黑洞系统。换句话说，如果早期宇宙中真的有这么重的双黑洞，它们发出的引力波应该已经高过噪声被我们看到；既然没看到，就排除了“这么重”的可能。

利用少数高精度距离测量的脉冲星，实现高红移双黑洞天空定位精度大幅提升

研究还首次在实际观测中验证了理论预言的“红移偏置”效应。所谓“红移”指的是，天体发出的光在传播过程中，宇宙不断膨胀，光的波长也被一路拉长。于是我们在地球上接收到的光，就比它刚发出时更“红”。红移越大，说明天体越远、越古老。通常我们的直觉是越远越暗、越难探测。

但红移还有第二个效应：我们在固定观测频率听到它，意味着它在自己的参考系里其实正以更快的频率绕转，离并合更近、绕得更急、发出的引力波更强。距离带来的“变弱”，被“它当时正在更猛烈地嘶吼”部分抵消了。

打个比方：你在山谷这边听对面敲鼓，正常情况下越远越轻；但远处那个鼓手刚好敲到了最响的一段，结果你听到的音量和近处慢悠悠敲的人差不多。脉冲星计时阵灵敏的纳赫兹频段，恰好把远处高红移双黑洞最响的阶段“调”了进来。因此，脉冲星计时阵对极高红移（极遥远、极早期）双黑洞的探测能力，并不会像我们直觉认为的那样“越远越弱”，反而可能在某些质量范围内维持甚至增强。

未来，这项研究有望从“排除”走向“探测和指认”。模拟显示，如果利用少量具有高精度距离测量的脉冲星来恢复引力波相位相干性，可将高红移双黑洞信号的定位精度提升近30倍——相当于从澳大利亚那么大缩小到一个城市大小，小到足够让韦布这样的望远镜直接指过去拍。下一步，结合平方公里阵射电望远镜和韦布空间望远镜，科学家希望能真正听到一个高红移双黑洞，并把它定位到某个星系里，从而回答第一代黑洞到底从多大的种子长起、长得有多快、主要靠并合还是靠吸积气体增长质量。

来源：光明日报全媒体记者陈慧娟 吴春燕

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编辑：吴亚琦 张雪瑜