牛津大學和馬克斯普朗克重力物理學研究所（阿爾伯特愛因斯坦研究所）的天文學家們提出了一項新策略，旨在尋找宇宙中最難捉摸的天體之一：緊密繞行的超大質量黑洞雙星。
這種巨大的黑洞雙星預計在星系合併後自然形成。儘管天文學家已經發現了一些距離較遠的超大質量黑洞雙星，但要找到那些軌道非常接近的雙星卻極為困難。
在一篇發表於《物理評論快報》的研究中，研究人員建議搜尋一種獨特的訊號。當黑洞彼此繞行時，它們巨大的引力可能會重複放大後方恆星的光線，產生週期性的閃光，這或許能揭示這些隱藏的系統。
星系合併產生超大質量黑洞雙星
大多數星系在其中心都包含一個超大質量黑洞。當星系碰撞並最終合併時，它們中心的黑洞會被引力束縛，形成科學家所稱的超大質量黑洞雙星。
這些系統對於理解星系如何隨時間演化至關重要。它們也被預期會產生宇宙中最強的重力波。
未來的太空重力波觀測站應該能夠直接探測到這些雙星。然而，這項新研究表明，天文學家可能不必等到那時。現有和即將進行的天空巡天調查有可能透過它們對可見光的影響來識別這些雙星。
馬克斯普朗克重力物理學研究所的 Miguel Zumalacárregui 博士表示：「超大質量黑洞就像天然的望遠鏡。由於它們巨大的質量和緊湊的尺寸，它們會強烈彎曲經過的光線。來自同一宿主星系的星光可以被聚焦成極其明亮影像，這種現象稱為重力透鏡效應。」
重力透鏡效應如何產生明亮閃光
單一的超大質量黑洞可以極大地放大背景恆星，但前提是其對準必須近乎完美。
雙星系統的行為不同。由於有兩個黑洞充當重力透鏡，極端放大的區域會變得更大。這對黑洞會產生一個稱為「焦線」的菱形特徵，恆星在該區域會顯得異常明亮。
理論上，一個完美的點狀恆星可以被無限放大。實際上，恆星的有限尺寸限制了這種效應能達到的亮度。
該研究的共同作者、牛津大學物理系的 Bence Kocsis 教授說：「與單一黑洞相比，雙星系統的星光被巨大放大的機率會大幅增加。」
重複的恆星閃光可能揭示隱藏的黑洞
與單一黑洞不同，黑洞雙星系統在不斷變化。
隨著兩個黑洞彼此繞行，它們會透過發射重力波逐漸損失能量，這是愛因斯坦廣義相對論預測的過程。隨著時間的推移，這會導致黑洞越來越近，繞行速度也越來越快。
Kocsis 教授團隊的研究生 Hanxi Wang 領導了這項研究：「隨著雙星的移動，焦線會旋轉並改變形狀，掃過其後方大範圍的恆星區域。如果一顆明亮的恆星位於這個區域內，每次焦線掃過時，它都會產生一次極其明亮的閃光。這會導致重複的星光爆發，為超大質量黑洞雙星提供一個清晰且獨特的標誌。」
由於焦線結構不斷變化，產生的閃光會一次又一次地發生，形成天文學家可以搜尋的可識別模式。
關於黑洞質量和軌道的線索
該團隊發現，這些閃光的時機和強度應該遵循可預測的趨勢，而不是隨機出現。
隨著重力波緩慢地縮小軌道，它們會微妙地改變焦線的形狀和運動。這些變化會在閃光的亮度和頻率上留下可測量的標誌。
透過分析這些模式，研究人員可以估計隱藏雙星的重要特徵，包括黑洞的質量及其軌道演化的細節。
包括薇拉·魯賓天文台和南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡在內的強大新觀測設備，預計將在未來幾年內極大地擴展對這些重複透鏡效應的搜尋。
Kocsis 教授總結道：「在未來的太空重力波探測器上線前數年就能識別出正在合併的超大質量黑洞雙星的前景，這令人極為興奮。它為黑洞的真正多信使研究打開了大門，使我們能夠以全新的方式測試重力和黑洞物理學。」
