爆发吧小宇宙，雅典娜和LISA将为我们揭晓：两个超大两黑洞相撞时，会发生什么？

万有理论：生命、宇宙以及任何事情的终极答案

1925年的一天，爱因斯坦与年轻学生埃丝特・沙拉曼一起散步。他说：“我想知道上帝如何创造了这个世界。我对这种或者那种现象，光谱或者元素并不感兴趣。我只想知道上帝的想法，其它的只是细节。”了解上帝的想法是现代物理学的终极目标

　　当两个超大质量黑洞（supermassive black hole）相撞时，会发生什么？在不久的未来，连系欧洲空间局（European Space Agency，ESA）两个义务的考察，雅典娜（Athena）和空间激光过问仪（LISA），这一谜题就会揭晓，我们将能深入研究这样的宇宙级冲突以及其神秘莫测的后续故事。 　　这种黑洞之所以被称为“超大质量黑洞”，是由于它们的质量为太阳的数百万到数十亿倍，所处的位置也是宇宙中质量总和最大的那些星系中央。至今，我们都没弄清楚这些体型和密度都伟大无比的物质是若何形成的，也不知道是什么气力让其中的小小的一部分，以极高的速率吞噬周围的物质，在电磁波谱中发生大量的辐射，并将所在的宿主星系酿成“活跃的星系核（galactic nucleus）”。 　　解决现代天体物理学中的这些开放性问题，是ESA空间科学设计未来两项义务的主要目的之一，这两项义务分别是高能天体物理高级望远镜“雅典娜”（Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics，Athena）和空间激光过问仪（Laser Interferometer Space Antenna ，LISA）。 两项义务现在均处于研究阶段，设计于2030年代初期启动。 　　ESA的科学主任金特•哈辛格（Günther Hasinger）示意：“雅典娜和LISA都会是出类拔萃的科学义务，将在天体物理学的许多领域取得突破。”他注释说：“然则有一个尤其激动人心的实验，只能在两个义务同时运作，并运作的时间至少好几年时才气完成：通过在X射线和引力波中考察超大质量黑洞的合并，为远大的‘宇宙影戏’完成配音。” 　　金特对这两项义务异常看好：“依附这一怪异的机遇，我们将对宇宙最迷人的征象之一举行前无古人的考察，雅典娜与LISA之间的协同互助，将大大提高两个义务的科学回报，确保欧洲在一个至关重要而新颖的研究领域的向导地位。”
　　探索极致宇宙的两项义务 　　雅典娜将成为有史以来最大的X射线天文台，以亘古未有的准确性和纵深性，研究宇宙中一些温度最高、能量最为活跃的征象。 　　雅典娜义务的目的是为了回覆两个基本问题：星系中央的超大质量黑洞是若何形成以及演化的；可见的“通俗”物质若何与隐形的暗物质合纵连横，形成弥漫在整个宇宙中的纤细“宇宙网”的。 　　“雅典娜丈量的黑洞数目将高达数十万个，涉及的局限从相对较近的地方到遥远的宇宙深处，对这些黑洞周围环境中温度高达数百万度的热物质发射的X射线举行考察。”ESA的雅典娜研究科学家马泰奥•伊瓜纳齐（Matteo Guainazzi）说道，“我们对那些最遥远的黑洞尤其感兴趣，它们降生于宇宙形成的最初几亿年里，我们希望最终能明了它们究竟是若何形成的。” 　　与此同时，LISA则将成为第一个引力波（gravitational wave）空间考察站。引力波是指时空结构的弯曲颠簸，由重力场极强的宇宙物质加速运动发生，以波的形式向外流传。而一对正在合并的黑洞，就知足发生引力波的条件。 　　引力波天文学的兴起只有5年左右的时间，现在的探测仅限于高频波，探测器也限制在地面上，例如美国国家科学基金会（National Science Foundation，United States）的激光过问引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）和欧洲位于意大利的“室女座”过问仪（Virgo interferometer）。这些实验能较为正确地探测到小型黑洞的合并，它们的质量大约为太阳质量的几倍到几十倍。
　　一对正在合并的超大质量黑洞 　　LISA将会对低频引力波举行探测，让现有的这些研究获得进一步扩展，例如在星系合并时，探测两个超大质量黑洞碰撞发生的引力波。 　　“LISA将会是此类义务的先行者，主要探寻的就是超大质量黑洞相撞所引发的引力波。”ESA LISA研究项目的科学家保罗•麦克纳马拉（Paul McNamara）注释说，“这是人类所知能量规模最大的事宜之一，黑洞相撞释放的能量将跨越随便时间下所有静止的宇宙能量。在宇宙任何地方，若是有两个超大质量黑洞合并了，LISA就能考察到这一壮观的事宜。” 　　LIGO和Vigro在2015年到2017年之间探测到了第一批引力波事宜，均源于恒星级质量黑洞（stellar-mass black hole）；尔后，在2017年的八月，另一种泉源的引力波也获得了探测，那也是人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。 　　相比恒星级黑洞合并不会辐射出任何形式的光，双中子星合并发生的引力波则随同了电磁波谱的辐射，很容易通过大量的地球望远镜和空间望远镜考察到。用多信使天文学（multi-messenger astronomy）的方式，将各种类型的考察资料连系起来，

新研究证实霍金预言：黑洞最终蒸发殆尽

黑洞产生的辐射非常微弱，无法在太空中探测到，但物理学家找到了非常富有创造性的方式，可以在实验室测量黑洞辐射。根据霍金提出的理论，这种辐射最终抽走足够的能量，让黑洞不断丧失质量，直至彻底消失。科学家普遍认为这一理论是正确的

科学家就能深入研究这种从未被探测过的征象。 　　雅典娜和LISA的强强团结，会使我们能够首次将多信使天文学应用在超大质量黑洞上。现有的模拟展望：不同于恒星级黑洞，超大质量黑洞的合并将同时发射出引力波和辐射射线。在相撞之时，两个星系的高温星际气体被相遇的两个黑洞搅动，从而引发了辐射的发生。
　　LISA和雅典娜的协同互助 　　在两个螺旋形黑洞最终合并的一个月前，LISA会探测它们发射出的引力波，那时，黑洞之间的距离大约有它们半径的好几倍。科学家预计，LISA能探测到宇宙中所有合并事宜的一小部分，特别是距离我们几十亿光年的那些合并，合并发生的X射线会增强，让雅典娜最终能考察到。 　　“实际上，我们甚至都没法知道LISA探测到的第一个信号来自那里，由于LISA是一个全天空的传感装置，相比于望远镜，它的事情原理更像是一个麦克风。”保罗注释道。
　　黑洞合并 　　“然则，当黑洞旋转着相互靠近时，它们的引力波信号幅度会获得增强；再加上卫星沿轨道的运动，LISA将能够逐渐提高引力波源空间位置的精度，直到两个黑洞最终合并为止。” 　　在合并末期的几天前，引力波数据会将事宜源的位置正确到约10平方度的天空区域，大约为满月时月球面积的50倍。 　　这个局限照样很大，但足以能够让雅典娜着手扫描深空，寻找这种伟大冲撞事宜发出的X射线。模拟解释，两个螺旋形黑洞会调治周围的气体运动，因此X射线特征可能具有与引力波信号相当的频率。 　　然后，就在黑洞最终合并前的几个小时，LISA可以提供关于空间位置更正确的指示，基本上与雅典娜宽视场成像仪（Wide Field Imager，WFI）的视野巨细相同，因此X射线考察台可以直接指向事宜源。 　　“在两个黑洞合为一体之前捕捉到X射线信号将会是一个伟大的挑战，然则我们异常有信心，能够在合并时代和之后乐成考察到X射线。” 马泰奥注释说，“我们或许可以看到新X射线源的泛起，甚至也许能眼见一个活跃星系核的降生，还会有高能粒子流以靠近光速的速率发射到新形成的黑洞之上和之外。”
　　当超大质量黑洞合并 　　我们从未考察到超大质量黑洞合并事宜，由于到现在为止，我们并没有能到达考察条件的装备。首先，我们需要LISA来探测引力波，并告诉我们该往空中的哪个偏向举行征采；然后，我们还需要雅典娜行使X射线对黑洞合并事宜举行高精度考察，看看云云浩荡的碰撞会对黑洞周围的气体发生怎样的影响。 　　我们完全可以用理论和模拟来展望事宜的走向，但若是想要知道确切的谜底，我们就需要这两个雄伟义务的协同互助。 　　一百年前，1919年的5月29日，在日全食时代对恒星位置的考察，给爱因斯坦广义相对论所展望的光的引力弯曲提供了第一个履历证据。 　　那次历史性的日食开创了地球和太空中引力实验的世纪，启发了雅典娜和LISA等义务，以及更多更令人兴奋的发现。
　　1919年日食的照片底片 　　2014年，雅典娜被选为ESA宇宙视觉设计中的第二大（L2）义务，而LISA则是2017年的第三大（L3）义务。2019年的白皮书中，雅典娜-LISA的协同研究团队形貌了两个义务团结执行可以举行的附加科学研究。 　　雅典娜由ESA主导，美国航空航天局（NASA）和日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）做出了重要贡献。WFI由德国马克斯普朗克外星物理研究所（Max Planck Institute for extraterrestrial Physics）向导的国际财团提供，包罗多个ESA成员国以及美国。 在法国国家空间研究中央（Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）的治理下，X射线积分视场单元（X-ray Integral Field Unit，X-IFU）由法国、荷兰和意大利向导的国际财团提供，此外还包罗几个ESA成员国、日本和美国。 　　LISA由ESA主导，NASA做出了重要贡献。 LISA背后的财团由德国马克斯普朗克引力物理研究所（Max Planck Institute for Gravitational Physics）向导，还包罗多个ESA成员国和美国。