哈勃和錢德拉望遠鏡聯(lián)手發(fā)現(xiàn)雙超大質量黑洞

在距離地球8億光年外，有兩個超大質量黑洞，相互間只保持著300光年的距離旋轉著，就好像兩個摔跤運動員在試探著對方的破綻。這是迄今天文學家發(fā)現(xiàn)離得最近的超大質量黑洞。

雙超大質量黑洞（活動星系核）的藝術想象畫 | 圖源：NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

這一幕是被“哈勃”空間望遠鏡和“錢德拉”X射線天文臺捕捉到的。它們身處一對正在碰撞的星系中（編號為MCG-03-34-64），源源不斷流入黑洞的氣體和塵埃為它們提供了燃料，使它們像活動星系核（AGN）一樣明亮地發(fā)光。宇宙空間極為廣袤，兩顆恒星很難碰撞，像太陽這樣的恒星與鄰居恒星發(fā)生碰撞的概率僅為一千萬分之一。而星系則不然，例如銀河系和仙女座星系，相距約250萬光年，這種距離下它們碰撞的概率只有1/20，事實上這兩個星系正在碰撞的歷史進程中。科學家們認為，在宇宙的早期，這種碰撞更為頻繁。

哈勃空間望遠鏡觀測到的星系MCG-03-34-064的可見光圖像 | 圖源：NASA, ESA, Anna Trindade Falc?o (CfA), Joseph DePasquale (STScI)

此前天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十個雙超大質量黑洞，但它們分離的程度比MCG-03-34-64中發(fā)現(xiàn)的要大得多。天文學家用射電望遠鏡找到過一對比MCG-03-34-64更接近的雙黑洞，但在其他波長上沒有得到證實。而這次，一個偶然的機會，天文學家在哈勃望遠鏡的高分辨率照片中發(fā)現(xiàn)嵌套在宿主星系中的三個光學衍射峰，這表明在一個非常小的區(qū)域內有大量的電離氧。這種現(xiàn)象在其附近宇宙中并不常見，星系內一定還有別的東西。

哈勃望遠鏡在可見光波段觀測到的三個光斑 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

錢德拉望遠鏡在X射線波段觀測到的兩個尖峰 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

然后，另外一組團隊利用“錢德拉”在X射線下對同一星系進行了研究，結果看到了兩個分離的、強大的高能發(fā)射源，與“哈勃”所看到的明亮光斑一致！X射線往往由高溫所致，超大質量黑洞在吞噬物質的時候，吸積盤上就會釋放出X射線。為了驗證這一推測，研究人員還使用了位于美國新墨西哥州的央斯基甚大陣（Karl G. Jansky Very Large Array）的射電波段觀測數(shù)據(jù)，同樣看到了比較明顯的兩個峰。由此可以得出結論，我們很可能觀察到兩個距離很近的超大質量黑洞。

甚大陣（VLA）在對應位置發(fā)現(xiàn)兩個尖峰 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

至于“哈勃”望遠鏡觀測到的第三個明亮的點是何來源，目前仍然存疑，還需要更多的數(shù)據(jù)來解釋。研究人員認為這可能某種氣體，受到來自其中一個黑洞的超高速等離子射流（stream）的沖擊。

天文學家推測，這兩個超大質量黑洞曾經(jīng)都位于各自主星系的核心。當這兩個星系開始合并，兩個黑洞就相互靠近了。在相當長的一段時間中，它們盤旋在一起。現(xiàn)在，彼此間只剩300光年了——這對星系尺度而言已經(jīng)是相當近了。未來，它們還將繼續(xù)接近，直到最終相撞并合——也許是在一億年后——以引力波的形式擾動時空。現(xiàn)在，我們還沒有探測這種級別引力波的能力。中國、歐洲都在研制空間引力波探測項目，10年后，或許我們就可以驗證兩個超大質量黑洞的時空之舞了。

參考資料

[1] Anna Trindade Falc?o et al. 2024 ApJ, 972: 185.
[2] https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-find-supermassive-black-hole-duo/