这也是广义相对论的最后一块拼图。
艺术家描绘了一对合并中的黑洞。NASA
黑洞是时空中的无底深渊，是一种引力的陷阱。一切，即便是光，都无法从中逃脱。小型黑洞的质量相当于几个太阳，这些沉默的地雷散布在宇宙各处；而超大质量黑洞的质量可以超过几亿个太阳，几乎存在于每个星系的中心，急速地吞噬着不幸落入它们势力范围的所有物质。
天文学家认为，这些超大质量黑洞是在一系列多达几十甚至几百次的星系合并过程中形成的。星系的合并意味着它们的中心黑洞也将合并。而它们的初次相遇，可以上溯到宇宙的最早期。
这样的合并每一次都要用去几亿年甚至更长的时间——因此我们只能通过计算机模拟进行研究。
然而问题也由此产生。模拟结果显示，黑洞会在引力的作用下相互回旋，缓缓靠近。但当它们的距离缩短到大约3光年，或1个秒差后，便会止步不前。
这种情况好比在水中用手划圈。起初水会对手产生阻力，如果你不用力，转圈的速度就会慢下来。随着时间的推移，水的运动会和手的转圈会趋于同步，阻力也大大减小。
在宇宙中存在着一种类似的情况，这是一种引力的相互作用，名为动力摩擦。动力摩擦会使黑洞的角动量减少，导致它们相互靠近。
但是在星系的合并过程中，星系中心周边天体的运动，也会和盆中之水一样，趋向于和黑洞的运动同步。动力摩擦逐渐变弱，最终导致两个黑洞停留在稳定的轨道上。
假如物理学家对宇宙大框架的认识是正确的，那么这些双黑洞终将合并。
根据广义相对论预言，它们间的距离在缩短到几十亿英里（大约0.001秒差）或更近后，多余的能量会以极强的引力波形式释放出来。这些存在于引力中的扰动，会像涟漪一样在时空中传递。黑洞最终会在一次能量大爆发中完成合并。这个过程所需的时间长短取决于黑洞的质量，从几小时、几天到几年不等。
然而我们对这一过程仍然知之甚少。究竟是什么促成了黑洞的最终合并？这就是所谓的“最终秒差”之谜。解答这个谜题，对于我们了解宇宙结构的形成方式，对于我们对引力本质的认识都十分重要。这也就是为什么科学家想尽办法，也要通过不断地完善模拟程序，或在宇宙中寻找实例，来解开这个谜团的原因。
“老鼠”星系（NGC 4676），这是一对处于合并过程中的星系。NASA
过去30年间，天文学家通过各种方式，拍到了至少几百个位于星系中心的双黑洞。这些黑洞分处合并的不同阶段。但它们彼此间的距离最短的也有几千秒差。现今最强大的望远镜，无法解析出一对靠得更近的双黑洞。
类星体是极端明亮的大型远古星系核。落向超大质量黑洞的物质，会在星系中心的黑洞周围聚起一个物质盘。物质盘的部分质量会在高速旋转中被转换成辐射，发出强光。由于进入物质盘的气体尘埃流并不是连贯的，因此类星体的亮度虽然会变化，但通常都是没有规律的。
但是2013年末却出现了一个例外。在所谓的“卡塔琳娜实时瞬态巡天”提供的10年数据中，科学家发现了一个奇特的可预测信号：一个距地球约35亿光年的类星体呈现出了稳定而有规律的亮度变化。
这是为什么？科学家们在经过了认真的分析研究后认为——这种规律性的闪光，可能是由第二个超大质量黑洞导致的。在它的影响下，类星体的辐射喷流或积吸盘产生了周期性的亮度变化。
然而最令人震惊的是，分析结果表明，这两个黑洞间的距离可能只有0.01甚至0.001秒差，大致上只相当于我们太阳系的直径！无论哪个结果更准确，都意味着我们有机会看到所谓的最终秒差之谜，正在自然状态下被解决。
科学家随后又在卡塔琳娜数据集中找出了100多个可能存在双黑洞的类星体，这些双黑洞间的距离都应该在最终秒差之内。
但是最关键的，是要观测到黑洞的合并。而这就需要有完全不同的观测技术。
在理论上，黑洞的合并会释放出亿倍于超新星爆发的能量，但这些能量大部分以引力波形式存在。现有望远镜对引力波是束手无策的，望远镜是观测电磁辐射的眼睛，它们没有能力听到引力波发出的“声音”。
假如能够探测到引力波，那么天文学家就会获得一种新的宇宙感知能力。引力波不受星际气体尘埃的干扰，因为引力波是时空本身的运动。但要听到它们非常不容易。
长期以来，科学家都在致力于引力波的探测技术。他们通过各种方式，一步步地推进到爱因斯坦预言的最前沿。
科研人员曾经想方设法突破技术的局限。他们想到了利用大自然的“望远镜”——毫秒脉冲星。这些高速自旋的恒星尸骸，像浮标一样散落在宇宙中。它们释放出的射电流能以原子钟级的精度扫过地球。人们通过对大批毫秒脉冲星（“脉冲星计时阵列”）进行长期监视，能够找到某种隐藏其内的、与引力波有关的细微变化。
引力波，是广义相对论的最后一块拼图。只有在极端引力事件——如黑洞的合并过程中经受检验后，它才算得上是一个巩固的理论。而在这样的极端条件下，物理学将变得非常奇特，我们熟知的许多概念会失去意义。虽然之前人们通过间接方式感知过引力波，但对引力波进行直接探测具有重大意义。
北京时间2016年2月11日23:30，美国国家自然科学基金会将联合加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组织（有中国科研机构参与）宣布，美国激光干涉引力波观测站（LIGO）可能首次直接探测到了引力波。这个信号来自13亿光年之外的遥远宇宙空间，由两个黑洞合并引发。这将是在大尺度上对广义相对论的一次重要检验。结果究竟如何？让我们拭目以待。
Kate Becker / 老孙
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