超大质量双黑洞系统的发现

天文学家通过美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星发现了一对超大质量黑洞。而导致这一对黑洞“泄露行踪”的原因是其中较小黑洞对外释放的类星体喷流。

耀变体OJ 287中心的两颗类星体喷流的想象图，来自美国宇航局喷气推进实验室和加州理工大学的赫特、穆格劳尔

科学家们最近发现，在距离我们40亿光年的一个活动星系中，存在一个双黑洞系统。其中一个黑洞正在穿过另一个黑洞的吸积盘，导致其亮度急剧提升，于是短暂性的形成了一对双类星体。

所谓类星体，指的是遥远星系中极为活跃的星系核。这种活跃来自于超大质量黑洞大量吞噬物质导致的结果，这种吞噬过于剧烈，以致于被吞噬的物质来不及落入黑洞的视界范围，而是受到磁场影响，以平行的方向不受控制的被喷射出去。当我们观测到这种被加速到接近光速的粒子流喷射现象时，我们会发现类星体变得异常明亮，因此也称为耀星。

类星体的喷射流

这个距离我们40亿光年的星系就是OJ 287，却是距离我们最近的一颗耀星。它的亮度非常高，甚至能被较大的业余天文望远镜观测到。实际上，在19世纪晚期它就已经被观测到了。根据记载，每12年其亮度就会增亮一次。2014年，芬兰图尔库大学的博士生泡利•佩荷尤奇提出一种理论，认为这种亮度剧增来自于一个小质量黑洞围绕主黑洞旋转并与之相互作用。由于小质量黑洞的轨道被拉长，导致其每隔12年才会接近一次主黑洞。

佩荷尤奇的论证认为，这个系统除了会产生增亮现象，还会导致小质量黑洞从大质量黑洞的吸积盘中“偷走”更多物质，并且会在短时间产生一种小型的类星体喷流现象。基于对这种现象的预测，在2021年11月，美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星暂停了对系外行星的探测，仔细对OJ 287星系进行了分析。一同参加这次观测分析的还有美国宇航局的雨燕卫星和费米伽马射线望远镜，以及一系列的地面望远镜，但是以凌日系外行星勘测卫星为主。

导致本次发现的主力探测设备 - 凌日系外行星勘测卫星

在2021年11月12日，凌日系外行星勘测卫星探测到OJ 287星系增亮了2个星等，且持续12小时，在这次爆发中，其释放能量大约相当于100个星系所释放的能量。这次爆发正是来自第二个黑洞的喷流，其它望远镜的观测证实了这一点，而费米伽马射线望远镜也确实观测到了一次伽马射线暴。

芬兰图尔库大学的莫里•瓦尔托宁负责这次观测任务，他表示：“我们可以确定，这是第一次观测到围绕旋转的黑洞。就像凌日系外行星勘测卫星观测到一颗围绕恒星旋转的行星一样”。

这些观测也确定了两个黑洞的质量：OJ 287星系中的主黑洞质量达到183.5亿太阳质量，另一个黑洞质量也不小，达到了1.5亿太阳质量。作为对比，银河系中心的黑洞质量仅有410万太阳质量。

这种爆发所持续的时间解释了为什么双黑洞系统至今才被发现：关键原因在于我们既不知道这种事件何时发生，也不知道它在哪里发生。因此我们很可能错过了大量的双黑洞爆发事件。然而，未来这类事件很可能将无处“躲藏”。

爱因斯坦预言的引力波将有助于我们未来观测双黑洞系统

印度的塔塔基础研究院的研究人员也参与了这次观测，他对此给出了解释：“对于小型黑洞，我们可以通过其释放的纳赫兹引力波来发现它们。未来随着脉冲星计时阵列技术的逐渐成熟，OJ 287星系的引力波将会被探测到”。

所谓脉冲星计时阵列，是基于深空中一系列脉冲星的自旋来进行观测的。脉冲星即旋转的中子星，它们就像太空中的“灯塔”一样，不断对外发射无线电信号。我们可以通过观测其无线电信号闪现的速度，来测量其自转频率。有的脉冲星会在一秒内旋转几百次，每次无线电波扫过我们时，都会留下一个无线电波的脉冲。

脉冲星的脉冲信号极为精确，因此可以用来测量时间。然而，当引力波扫过时，它会扭曲我们和脉冲星之间的空间，从而对我们观测到脉冲信号的出现时间产生影响。

旋转速度极为稳定的脉冲星

双黑洞系统对于超大质量黑洞的增长非常重要，在威斯康星州美国天文学会第244次会议上提出的研究成果表明，超大质量黑洞的合并是其“身材”增长的第二重要影响因素，并且当两个黑洞在旋转合并过程中会产生引力波。虽然这种引力波在频率上很低，难以被激光干涉引力波天文台检测到，但是人们已经计划发射名为“激光干涉空间探测器”的设备，用来探测黑洞的合并事件。

对于OJ 287星系的观测结果于6月11日发表在天文学周刊上。

BY: Keith Cooper

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