当两个超大质量黑洞碰撞时会发生什么？结合两个未来欧空局任务的观测能力，雅典娜和LISA，将使我们第一次研究这些宇宙冲突及其神秘的后果。

超大质量黑洞，质量从数百万到数十亿的太阳，位于宇宙中最大质量星系的核心。我们不确切地知道这些巨大的，非常密集的物体是如何形成的，也不知道它们中的一小部分会以极高的速率开始吞噬周围的物质，在电磁波谱中大量辐射并将它们的宿主星系变成“活跃的星系核” 。

解决现代天体物理学中的这些开放性问题是欧洲航空航天局空间科学计划未来两项任务的主要目标之一：高能天体物理学高级望远镜雅典娜和激光干涉仪空间天线LISA。目前正处于研究阶段，两个任务计划于2030年代初期启动。

欧洲航天局科学主任GüntherHasinger说：“Athena和LISA在天体物理学的许多领域都取得突破的杰出任务。但是有一个非常激动人心的实验，我们只能在两个任务同时运作至少几年时才能完成：通过观察X射线中超大质量黑洞的合并，为'宇宙电影'带来声音和引力波。”“凭借这一独特的机会对宇宙中最迷人的现象之一进行前所未有的观察，雅典娜与LISA之间的协同作用将大大提高两个任务的科学回报，确保欧洲在一个关键的，新颖的研究领域的领导地位。”

雅典娜将成为有史以来最大的X射线天文台，以前所未有的准确性和深度研究宇宙中一些最热和最有活力的现象。它旨在回答两个基本问题：星系中心的超大质量黑洞是如何形成和演化的，以及“普通”物质如何与隐形暗物质组合在一起，形成遍布宇宙的纤细的“宇宙网”。

“雅典娜将测量数十万个黑洞，从相对较近的地方到远处，观察周围环境中百万度热物质的X射线发射，”欧洲航天局的雅典娜研究科学家Matteo Guainazzi说。“我们对最遥远的黑洞感兴趣，这些黑洞是宇宙历史上最初几亿年形成的黑洞，我们希望我们能够最终了解它们是如何形成的。”

与此同时，LISA将成为第一个由太空时间结构引力波引起的引力波观测台，它是由具有非常强的重力场的宇宙物体的加速产生的，就像成对的合并黑洞一样。引力波天文学仅在几年前开始，目前仅限于可以通过LIGO和处女座等地面实验探测到的高频波。这些实验对相对较小的黑洞的合并很敏感 - 比太阳大几倍到几十倍。 LISA将通过检测低频引力波来扩展这些研究，例如在两个超大质量黑洞在星系合并期间发生碰撞时释放的引力波。

“LISA将是此类任务中的第一个任务，主要针对来自超大质量黑洞的引力波相互撞击，”ESA的LISA研究科学家Paul McNamara解释道。“这是我们所知道的最具活力的现象之一，释放的能量比任何时候所有静止的宇宙都要多。如果两个超大质量黑洞合并在宇宙的任何地方，LISA就会看到它。”

LIGO和Virgo在2015年和2017年之间探测到的前几个引力波事件都源于成对的恒星质量黑洞，众所周知这些黑洞在聚结时不会发出任何光。然后，在2017年8月，发现了来自不同来源的引力波 - 两颗中子星的合并。这一次，引力波伴随着电磁波谱的辐射，很容易通过地球和太空中的大量望远镜观察到。通过在多信使天文学方法中结合各种类型观测资料，科学家们可以深入研究这种前所未见的现象。

通过Athena和LISA，我们将首次将超信使天文学应用于超大质量黑洞。模拟预测它们的合并与它们的恒星质量对应物不同，发射引力波和辐射 - 后者起源于两个碰撞星系的热，星际气体，当它们相互落下时被黑洞对搅动。

LISA将在它们最终聚结前约一个月检测到螺旋形黑洞发出的引力波，当它们相隔几倍于它们的半径的距离时。科学家们预计，LISA发现的一小部分合并，特别是距离我们几十亿光年的合并，将会产生最终可以被雅典娜看到的X射线信号。

“当LISA首次发现信号时，我们还不知道它究竟来自哪里，因为LISA是一个全天空传感器，因此它更像是一个麦克风，而不是望远镜，”Paul解释道。“然而，当黑洞向彼此的方向发射时，它们的引力波信号的幅度会增加。这与卫星沿其轨道的运动相结合，将使LISA逐渐改善天空中源的定位，向上直到黑洞最终融合的时候。“

在合并的最后阶段的前几天，引力波数据将把源的位置限制在天空中的贴片上，该贴片大约10平方度 - 大约是满月面积的50倍。这仍然非常大，但是允许雅典娜开始扫描天空以从这个巨大的冲突中搜索X射线信号。模拟表明两个螺旋形黑洞调制周围气体的运动，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几个小时，LISA可以在天空中提供更精确的指示，大致与雅典娜宽视场成像仪（WFI）的视野大小相同，因此X射线天文台可以直接指向来源。

“在黑洞成为一体之前捕捉X射线信号将是非常具有挑战性的，但我们非常有信心，我们可以在合并期间和之后进行检测，”Matteo解释道。“我们可以看到新的X射线源的出现，也许可以看到活跃的星系核的诞生，高能粒子的射流以接近新形成的黑洞之上和之外的光速发射。”

我们从未观察到合并超大质量黑洞 - 我们还没有这种观测设施。首先，我们需要LISA来探测引力波并告诉我们在哪里看天空；然后我们需要雅典娜在X射线中高精度地观察它，看看强大的碰撞如何影响黑洞周围的气体。我们可以使用理论和模拟来预测可能发生的事情，但我们需要结合这两个伟大的任务来找出答案。

一百年前的这个月，也就是1919年5月29日，在太阳日全食期间对恒星位置的观测提供了几年前阿尔伯特爱因斯坦广义相对论预测的光的引力弯曲的第一个经验证据。这次历史性的日食在地球和太空中开创了一个世纪的重力实验，为启发雅典娜和LISA等任务以及更多令人兴奋的发现奠定了基础。