日前，一個(gè)包括中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)“絲綢之路”項(xiàng)目組博士后李碩在內(nèi)的由中國(guó)和德國(guó)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，在普通星系中發(fā)現(xiàn)了互相繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量雙黑洞。這是首次在普通星系中發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量雙黑洞。這對(duì)隱匿的雙黑洞之所以能夠被發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樗鼈冏罱�潮汐撕裂了一顆恒星，而歐洲空間局（ESA）的XMM-Newton X-射線衛(wèi)星當(dāng)時(shí)恰巧正對(duì)準(zhǔn)它們所在的方向進(jìn)行觀測(cè)而目睹了這一事件。該發(fā)現(xiàn)利用國(guó)家天文臺(tái)計(jì)算天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高性能機(jī)群“老虎”進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，完成了對(duì)該系統(tǒng)物理參數(shù)的確定。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了劉富坤教授和李碩等人在2009年提出的一個(gè)關(guān)于普通星系中雙黑洞系汐撕裂事件的理論模型。此類天體的發(fā)現(xiàn)對(duì)驗(yàn)證宇宙學(xué)與星系演化模型及廣義相對(duì)論在極端條件下的適用性具有十分重要的意義。4月22日，ESA發(fā)布新聞宣布了這一發(fā)現(xiàn)，4月23日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》在頭版進(jìn)行了中文報(bào)道。 

　　我們的宇宙由無(wú)數(shù)星系組成。根據(jù)目前天文界主流的宇宙演化模型，很大一部分星系在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中會(huì)與鄰近的星系發(fā)生一次乃至多次的合并。而近十幾年來(lái)的大量觀測(cè)表明，多數(shù)大質(zhì)量星系中心都存在著超大質(zhì)量黑洞。我們銀河系的中心也確認(rèn)存在著一個(gè)幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。因此，超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)不但能夠?yàn)樾窍岛喜⑻峁┲匾�證據(jù)，還能幫助我們了解星系的演化歷史。 

　　早在上世紀(jì)八十年代初，天文學(xué)家們就已經(jīng)意識(shí)到超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的重要性。然而30年來(lái)，天文學(xué)家僅在少數(shù)幾個(gè)活動(dòng)的星系中找到了超大質(zhì)量雙黑洞。普通星系中心的雙黑洞因其處于不吸積物質(zhì)的非活躍狀態(tài)而探測(cè)極端困難。為了解決這一問(wèn)題，劉富坤和李碩等人在2009年創(chuàng)造性地提出可以利用潮汐撕裂這一特殊的天體物理事件來(lái)尋找寧?kù)o星系中的超大質(zhì)量雙黑洞。 

　　所謂潮汐撕裂事件，是指當(dāng)一顆恒星足夠接近黑洞的時(shí)候，后者對(duì)其產(chǎn)生的潮汐力會(huì)強(qiáng)大到超過(guò)恒星的自束縛引力，從而導(dǎo)致恒星被完全或部分撕裂。一部分恒星撕裂后的殘余碎片最終會(huì)落回到黑洞附近，并被黑洞吸積，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波耀發(fā)。這樣的事件可以在一段時(shí)間內(nèi)點(diǎn)亮寧?kù)o星系中心的超大質(zhì)量黑洞。劉富坤教授等人提出，在雙黑洞系統(tǒng)中這樣的耀發(fā)事件對(duì)應(yīng)的光變曲線會(huì)有明顯的截?cái)嗪蛷?fù)發(fā)特性（如圖1所示）。這一預(yù)言在獲得這次發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中得到了證實(shí)。

　　2010年6月10日，XMM-Newton X-射線衛(wèi)星捕捉到一例來(lái)自大熊座星系SDSS J120136.02+300305.5的耀發(fā)事件。緊隨其后的光變曲線跟蹤觀測(cè)表明，這是一例典型的超大質(zhì)量黑洞潮汐撕裂恒星事件。但更長(zhǎng)期的跟蹤觀測(cè)表明，該天體的光變曲線除遵循典型的潮汐撕裂模型之外，在事件發(fā)現(xiàn)后的第27至48天之間出現(xiàn)了突然的截?cái)�，隨后又突然重現(xiàn)。這一特殊的光變模式與09的模型所預(yù)言的結(jié)果十分相似。

　　要驗(yàn)證這一事件是否來(lái)自于一個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，需要根據(jù)09年的雙黑洞潮汐撕裂模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并將計(jì)算獲得的光變曲線與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。這需要在大的雙黑洞和恒星軌道參數(shù)空間進(jìn)行海量數(shù)值模擬。國(guó)家天文臺(tái)GPU“老虎”計(jì)算機(jī)群是目前國(guó)際上應(yīng)用于天文數(shù)值模擬的運(yùn)算速度最快的服務(wù)器之一，是完成這一計(jì)算任務(wù)的最佳選擇。在大量數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，李碩和劉富坤等一起，結(jié)合對(duì)耀發(fā)事件的觀測(cè)結(jié)果最終確定了該雙黑洞系統(tǒng)的質(zhì)量和軌道參數(shù)等各物理量。

　　根據(jù)他們的計(jì)算結(jié)果，大致上有兩套雙黑洞系統(tǒng)可以完美地重構(gòu)觀測(cè)結(jié)果。其中一種情況對(duì)應(yīng)于一個(gè)千萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的主黑洞和一個(gè)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的次黑洞所構(gòu)成的雙黑洞系統(tǒng)（如圖2所示），而另一種情況對(duì)應(yīng)于百萬(wàn)倍和十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)黑洞的距離都非常小，大概僅有太陽(yáng)系的尺度。這兩個(gè)黑洞會(huì)在約兩百萬(wàn)年后因?yàn)橐�力波輻射而并合成一個(gè)黑洞。

　　圖1  星系中心互相繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量雙黑洞恒星潮汐撕裂事件藝術(shù)想象圖。主黑洞將一顆恒星撕裂成細(xì)長(zhǎng)氣體流，該氣體流在流向黑洞形成圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤時(shí)被高溫加熱產(chǎn)生強(qiáng)烈X-射線輻射。當(dāng)次黑洞繞轉(zhuǎn)到氣體流附近（但不穿過(guò)）時(shí)，產(chǎn)生的破壞性引力擾動(dòng)作用使氣體流中部分氣體流飛離，留下一段空隙。X-射線光變曲線則相應(yīng)地出現(xiàn)突然下跌直至黑暗的現(xiàn)象。（繪圖：ESA -C. Carreau） 

　　圖2  雙黑洞（情形一）對(duì)星系SDSS J120136.02+300305.5潮汐撕裂恒星事件x-射線光變曲線的完整重構(gòu)（紅實(shí)線)。圖中菱形符號(hào)為XMM-Newton衛(wèi)星及Swift衛(wèi)星的觀測(cè)值及誤差，向下箭頭代表X-射線源亮度低于衛(wèi)星的探測(cè)極限時(shí)得到的流量上限，實(shí)際亮度低于該值。黑色虛線為單黑洞中恒星潮汐撕裂事件的典型光變曲線。