天文學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·普朗克射電天文學研究所牽頭完成，并已被《皇家天文學會月刊》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，幾乎每個大型星系中心都駐留著一個質(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當會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“緊密雙黑洞”系統(tǒng)被可靠成像確認。 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。

研究團隊對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鏡網(wǎng)絡，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。

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，仿佛整個噴流系統(tǒng)在“搖擺”。 研究團隊將這一現(xiàn)象解釋為雙黑洞系統(tǒng)軌道平面的擺動：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)由一個極為“歪斜”的路徑抵達地球，在已知前景黑洞強大引力的彎曲作用下，后方噴流發(fā)出的光被“拽”成一個近似環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，即所謂的“愛因斯坦環(huán)”，這為“前景黑洞充當引力透鏡、后景噴流來自第二個黑洞”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，研究團隊推算出，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龐大尺度，但對于質(zhì)量介于1億到10億個太陽質(zhì)量之間的超大質(zhì)量黑洞來說，這個間距已經(jīng)相當“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，盡管這兩個黑洞本身巨大無比，但由于Mrk 501距離地球極其遙遠，即便是曾拍攝出黑洞“事件視界”環(huán)形結(jié)構(gòu)的事件視界望遠鏡（EHT），目前也無法將它們直接分辨成兩個獨立天體。 隨著軌道半徑進一步收縮，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，但科學家們期待能通過另一種“信號”捕捉其臨終前的腳步——極低頻段的引力波輻射。 這些信號有望通過“脈沖星計時陣列”（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來“聽見”宇宙大尺度的引力波背景。

事實上，超大質(zhì)量黑洞雙星早已是解釋2023年由歐洲脈沖星計時陣列等團隊報道的“引力波背景”信號的主要候選源之一。 Mrk 501現(xiàn)在成為一個極具價值的“目標實驗室”，有望將PTA測得的某些低頻引力波信號與具體的雙黑洞系統(tǒng)直接對應起來，為以往統(tǒng)計意義上的“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間逐漸升高、對應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“實時追蹤”的演化記錄。

在這項研究中，來自馬克斯·普朗克射電天文學研究所的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《皇家天文學會月刊》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時的引力波天文學開辟出一個罕見的“靶場”，讓人類有望在接下來幾十到上百年的時間里，親眼見證一場宇宙尺度的“黑洞大合并”。