首个近距离超大质量黑洞双星被发现 或在百年内合并

天文学家在活跃星系马卡良501（Markarian 501，简称Mrk 501）的中心发现疑似由两颗超大质量黑洞组成的紧密双星系统，相关研究由德国马克斯·普朗克射电天文学研究所牵头完成，并已被《皇家天文学会月刊》接受。

长期的高分辨率射电观测显示，该星系核心不仅存在一条早已知晓的强大粒子喷流（喷流指以接近光速射出的高能粒子流），还隐藏着第二条喷流，为一对极其靠近、彼此绕转的超大质量黑洞提供了直接证据。

目前的研究表明，几乎每个大型星系中心都驻留着一个质量为太阳数百万到数十亿倍的超大质量黑洞，但单纯通过吸积周围气体难以在宇宙年龄内长到如此“体型”，因此黑洞之间的合并被认为是重要“增肥”途径之一。 观测到星系之间的碰撞并不罕见，人们也推测这些星系中心的黑洞应当会在引力作用下逐步靠拢并最终并合，但理论模型对这一“最后阶段”的刻画仍不完善，且此前从未有一个“紧密双黑洞”系统被可靠成像确认。 本次对Mrk 501的观测，为这一长期悬而未决的天体物理图景提供了关键拼图。

研究团队对Mrk 501核心区域在不同射电频率下、跨越约23年的观测资料进行了系统分析，这些数据来自分布在全球的射电望远镜网络，形成了极高的角分辨率。 结果显示，除了指向地球、亮度格外突出的那条已知喷流之外，数据中还隐藏着第二条喷流，其方向与第一条明显不同，且在短短数周时间内呈现出显著位置变化。 伴随多历元数据的比对，天文学家不仅“看到”了第二条喷流，还能追踪其绕行路径，这被解释为它围绕另一颗黑洞公转的投影效应。

观测记录显示，第二条喷流似乎从质量更大的已知黑洞后方发出，并沿逆时针方向绕行，在连续观测中呈现周期性位移变化，仿佛整个喷流系统在“摇摆”。 研究团队将这一现象解释为双黑洞系统轨道平面的摆动：两颗黑洞互绕使得喷流的指向与我们视线之间的夹角不断变化。 在2022年6月的一次观测中，喷流系统的辐射恰好经由一个极为“歪斜”的路径抵达地球，在已知前景黑洞强大引力的弯曲作用下，后方喷流发出的光被“拽”成一个近似环状的结构，即所谓的“爱因斯坦环”，这为“前景黑洞充当引力透镜、后景喷流来自第二个黑洞”的解释提供了有力支持。

通过对喷流亮度变化和位置演化的周期性分析，研究团队推算出，两颗黑洞彼此环绕一周大约需要121天。 它们之间的距离估算为地日距离的约250至540倍——对普通恒星而言这仍是一个庞大尺度，但对于质量介于1亿到10亿个太阳质量之间的超大质量黑洞来说，这个间距已经相当“紧密”。 根据质量区间和轨道参数推断，这一双黑洞系统可能在最短约100年内因引力辐射损失轨道能量而最终合并，这一时间尺度在宇宙演化中堪称“迫在眉睫”。

值得一提的是，尽管这两个黑洞本身巨大无比，但由于Mrk 501距离地球极其遥远，即便是曾拍摄出黑洞“事件视界”环形结构的事件视界望远镜（EHT），目前也无法将它们直接分辨成两个独立天体。 随着轨道半径进一步收缩，双黑洞系统的“最后旋转圈”在成像上仍将难以被直接看到，但科学家们期待能通过另一种“信号”捕捉其临终前的脚步——极低频段的引力波辐射。 这些信号有望通过“脉冲星计时阵列”（PTA）观测手段被探测，后者通过精密监听毫秒脉冲星的周期微小扰动来“听见”宇宙大尺度的引力波背景。

事实上，超大质量黑洞双星早已是解释2023年由欧洲脉冲星计时阵列等团队报道的“引力波背景”信号的主要候选源之一。 Mrk 501现在成为一个极具价值的“目标实验室”，有望将PTA测得的某些低频引力波信号与具体的双黑洞系统直接对应起来，为以往统计意义上的“背景”赋予明确天体身份。 研究合作者指出，如果未来能在该源方向上成功捕捉到引力波，不仅有望看到其频率随时间逐渐升高、对应黑洞螺旋式靠拢的过程，还可能首次在“超大质量黑洞合并”这一规模上获得接近“实时追踪”的演化记录。

在这项研究中，来自马克斯·普朗克射电天文学研究所的Silke Britzen、Frédéric Jaron和Nicholas Roy McDonald等人署名为共同作者，相关成果将发表在《皇家天文学会月刊》上。 这对位于Mrk 501中心的超大质量黑洞双星不仅为理解银河系中心黑洞如何成长提供了关键案例，也为未来基于脉冲星计时的引力波天文学开辟出一个罕见的“靶场”，让人类有望在接下来几十到上百年的时间里，亲眼见证一场宇宙尺度的“黑洞大合并”。