来自超大质量双黑洞 OJ 287 的耀斑限制了“无毛定理”

美国宇航局的斯皮策红外天文台最近观测到了巨型双黑洞系统OJ 287的耀斑，其发生时间与天体物理学家建立的模型预测的时间区间相符。这一观测检验了广义相对论的不同方面，包括“无毛定理”，并证明OJ 287确实是红外引力波的源。

位于巨蟹座、距离地球3.5亿光年的OJ 287星系拥有两个黑洞——较大的黑洞质量超过太阳的18亿倍，围绕它运行的是一个质量约为太阳150亿倍的较小黑洞，它们构成了一个双黑洞系统。当较小的黑洞围绕较大的黑洞运行时，它会撞击环绕较大黑洞的巨大气体和尘埃吸积盘，从而产生比万亿颗恒星还要明亮的闪光。

较小的黑洞每十二年与较大的黑洞的吸积盘碰撞两次。然而，由于其不规则的椭圆轨道（数学术语称之为准开普勒轨道，如下图所示），耀斑的出现时间可能各不相同——有时间隔仅一年；有时间隔长达十年（1）。此前，人们曾多次尝试对该黑洞的轨道进行建模并预测耀斑的发生时间，但均以失败告终。直到2010年，天体物理学家们建立了一个模型，能够以大约一到三周的误差预测耀斑的发生。该模型的准确性通过预测2015年10月耀斑的出现时间得到了验证，误差仅为三周。

另一个促成双黑洞系统 OJ 287成功理论形成的重要信息是，超大质量黑洞可以产生引力波——这一事实已在 2016 年实验观测到两个超大质量黑洞合并过程中产生的引力波后得到证实。OJ 287 被预测为红外引力波的来源(2)。

2018年，一组天体物理学家提出了一个更为精细的模型，并声称能够将未来耀斑的发生时间精确到几小时以内（3）。根据该模型，下一次耀斑将于2019年7月31日发生，预测时间误差为4.4小时。该模型还预测了此次事件中由撞击引发的耀斑的亮度。NASA的斯皮策太空望远镜（4）捕捉并证实了这一事件，该望远镜已于2020年1月退役。由于当时太阳位于巨蟹座，而OJ 287天体和地球分别位于其两侧，因此地面或地球轨道上的其他任何望远镜都无法观测到此次耀斑，斯皮策望远镜成为我们观测到预测事件的唯一希望。此次观测也证实了OJ 287天体确实如预测的那样，会发出红外波段的引力波。根据这一理论，OJ 287 撞击引发的耀斑预计将在 2022 年发生。

对这些耀斑的观测对“无毛定理”（5,6）提出了限制。该定理指出，虽然黑洞没有真正的表面，但在其周围存在一个边界，任何物质——甚至光——都无法逃脱。这个边界被称为事件视界。该定理还假设，构成黑洞或落入黑洞的物质会“消失”在黑洞事件视界之后，因此外部观测者永远无法观测到它们，这表明黑洞“没有毛发”。该定理的一个直接推论是，黑洞可以用其质量、电荷和固有自旋来完全表征。一些科学家认为，黑洞的这个外边界，即事件视界，可能是崎岖不平或不规则的，从而与“无毛定理”相矛盾。然而，如果要证明“无毛定理”的正确性，唯一合理的解释是，大黑洞质量分布不均会扭曲其周围的空间，从而导致小黑洞的路径发生变化，进而改变黑洞在该特定轨道上与吸积盘碰撞的时间，从而导致观测到的耀斑出现时间发生变化。

正如预期的那样，黑洞难以探测。因此，在证实“无毛定理”的有效性之前，我们需要研究更多关于黑洞与其周围环境以及与其他黑洞相互作用的实验观测结果。

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参考文献：

1. Valtonen V.，佐拉 S.， 等. 2016 年，“广义相对论百年耀斑确定的 OJ287 中的主要黑洞自旋”，天体物理学。 J.莱特。 819 (2016) no.2, L37。 DOI： https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. 雅培 BP., 等. 2016. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Wave from a Binary Black Hole Merger”, Phys. 牧师莱特。 116, 061102 (2016)。 DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L.、Valtonen MJ.、Gopakumar A. 等 2018. “使用广义相对论百年耀斑验证 OJ 287 中相对论性大质量黑洞双星的存在：改进的轨道参数”， 天体。 J. 866, 11 (2018)。 DOI： https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. 莱恩 S.，戴伊 L.， 等 2020 年。“斯皮策对 Blazar OJ 287 预测的爱丁顿耀斑的观测”。 天体物理学杂志快报，卷。 894，第 1 号（2020 年）。 DOI： https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N.，2015。“天体物理环境中黑洞的无毛定理”， “物理评论快报” 114, 151102 (2015)。 DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. 霍金 Stephen W. 等人 2016 年。黑洞上的软毛。 https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

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