首個(gè)近距離超大質(zhì)量黑洞雙星被發(fā)現(xiàn) 或在百年內(nèi)合并

天文學(xué)家在活躍星系馬卡良501（Markarian 501，簡稱Mrk 501）的中心發(fā)現(xiàn)疑似由兩顆超大質(zhì)量黑洞組成的緊密雙星系統(tǒng)，相關(guān)研究由德國馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所牽頭完成，并已被《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》接受。

長期的高分辨率射電觀測顯示，該星系核心不僅存在一條早已知曉的強(qiáng)大粒子噴流（噴流指以接近光速射出的高能粒子流），還隱藏著第二條噴流，為一對極其靠近、彼此繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞提供了直接證據(jù)。

目前的研究表明，幾乎每個(gè)大型星系中心都駐留著一個(gè)質(zhì)量為太陽數(shù)百萬到數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞，但單純通過吸積周圍氣體難以在宇宙年齡內(nèi)長到如此“體型”，因此黑洞之間的合并被認(rèn)為是重要“增肥”途徑之一。 觀測到星系之間的碰撞并不罕見，人們也推測這些星系中心的黑洞應(yīng)當(dāng)會(huì)在引力作用下逐步靠攏并最終并合，但理論模型對這一“最后階段”的刻畫仍不完善，且此前從未有一個(gè)“緊密雙黑洞”系統(tǒng)被可靠成像確認(rèn)。 本次對Mrk 501的觀測，為這一長期懸而未決的天體物理圖景提供了關(guān)鍵拼圖。

研究團(tuán)隊(duì)對Mrk 501核心區(qū)域在不同射電頻率下、跨越約23年的觀測資料進(jìn)行了系統(tǒng)分析，這些數(shù)據(jù)來自分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，形成了極高的角分辨率。 結(jié)果顯示，除了指向地球、亮度格外突出的那條已知噴流之外，數(shù)據(jù)中還隱藏著第二條噴流，其方向與第一條明顯不同，且在短短數(shù)周時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出顯著位置變化。 伴隨多歷元數(shù)據(jù)的比對，天文學(xué)家不僅“看到”了第二條噴流，還能追蹤其繞行路徑，這被解釋為它圍繞另一顆黑洞公轉(zhuǎn)的投影效應(yīng)。

觀測記錄顯示，第二條噴流似乎從質(zhì)量更大的已知黑洞后方發(fā)出，并沿逆時(shí)針方向繞行，在連續(xù)觀測中呈現(xiàn)周期性位移變化，仿佛整個(gè)噴流系統(tǒng)在“搖擺”。 研究團(tuán)隊(duì)將這一現(xiàn)象解釋為雙黑洞系統(tǒng)軌道平面的擺動(dòng)：兩顆黑洞互繞使得噴流的指向與我們視線之間的夾角不斷變化。 在2022年6月的一次觀測中，噴流系統(tǒng)的輻射恰好經(jīng)由一個(gè)極為“歪斜”的路徑抵達(dá)地球，在已知前景黑洞強(qiáng)大引力的彎曲作用下，后方噴流發(fā)出的光被“拽”成一個(gè)近似環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，即所謂的“愛因斯坦環(huán)”，這為“前景黑洞充當(dāng)引力透鏡、后景噴流來自第二個(gè)黑洞”的解釋提供了有力支持。

通過對噴流亮度變化和位置演化的周期性分析，研究團(tuán)隊(duì)推算出，兩顆黑洞彼此環(huán)繞一周大約需要121天。 它們之間的距離估算為地日距離的約250至540倍——對普通恒星而言這仍是一個(gè)龐大尺度，但對于質(zhì)量介于1億到10億個(gè)太陽質(zhì)量之間的超大質(zhì)量黑洞來說，這個(gè)間距已經(jīng)相當(dāng)“緊密”。 根據(jù)質(zhì)量區(qū)間和軌道參數(shù)推斷，這一雙黑洞系統(tǒng)可能在最短約100年內(nèi)因引力輻射損失軌道能量而最終合并，這一時(shí)間尺度在宇宙演化中堪稱“迫在眉睫”。

值得一提的是，盡管這兩個(gè)黑洞本身巨大無比，但由于Mrk 501距離地球極其遙遠(yuǎn)，即便是曾拍攝出黑洞“事件視界”環(huán)形結(jié)構(gòu)的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT），目前也無法將它們直接分辨成兩個(gè)獨(dú)立天體。 隨著軌道半徑進(jìn)一步收縮，雙黑洞系統(tǒng)的“最后旋轉(zhuǎn)圈”在成像上仍將難以被直接看到，但科學(xué)家們期待能通過另一種“信號(hào)”捕捉其臨終前的腳步——極低頻段的引力波輻射。 這些信號(hào)有望通過“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”（PTA）觀測手段被探測，后者通過精密監(jiān)聽毫秒脈沖星的周期微小擾動(dòng)來“聽見”宇宙大尺度的引力波背景。

事實(shí)上，超大質(zhì)量黑洞雙星早已是解釋2023年由歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣列等團(tuán)隊(duì)報(bào)道的“引力波背景”信號(hào)的主要候選源之一。 Mrk 501現(xiàn)在成為一個(gè)極具價(jià)值的“目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室”，有望將PTA測得的某些低頻引力波信號(hào)與具體的雙黑洞系統(tǒng)直接對應(yīng)起來，為以往統(tǒng)計(jì)意義上的“背景”賦予明確天體身份。 研究合作者指出，如果未來能在該源方向上成功捕捉到引力波，不僅有望看到其頻率隨時(shí)間逐漸升高、對應(yīng)黑洞螺旋式靠攏的過程，還可能首次在“超大質(zhì)量黑洞合并”這一規(guī)模上獲得接近“實(shí)時(shí)追蹤”的演化記錄。

在這項(xiàng)研究中，來自馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所的Silke Britzen、Frédéric Jaron和Nicholas Roy McDonald等人署名為共同作者，相關(guān)成果將發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。 這對位于Mrk 501中心的超大質(zhì)量黑洞雙星不僅為理解銀河系中心黑洞如何成長提供了關(guān)鍵案例，也為未來基于脈沖星計(jì)時(shí)的引力波天文學(xué)開辟出一個(gè)罕見的“靶場”，讓人類有望在接下來幾十到上百年的時(shí)間里，親眼見證一場宇宙尺度的“黑洞大合并”。