哈勃和錢德拉望遠(yuǎn)鏡聯(lián)手發(fā)現(xiàn)雙超大質(zhì)量黑洞

在距離地球8億光年外，有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，相互間只保持著300光年的距離旋轉(zhuǎn)著，就好像兩個(gè)摔跤運(yùn)動(dòng)員在試探著對(duì)方的破綻。這是迄今天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)離得最近的超大質(zhì)量黑洞。

雙超大質(zhì)量黑洞（活動(dòng)星系核）的藝術(shù)想象畫 | 圖源：NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

這一幕是被“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡和“錢德拉”X射線天文臺(tái)捕捉到的。它們身處一對(duì)正在碰撞的星系中（編號(hào)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(dòng)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(yáng)這樣的恒星與鄰居恒星發(fā)生碰撞的概率僅為一千萬(wàn)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(wàn)光年，這種距離下它們碰撞的概率只有1/20，事實(shí)上這兩個(gè)星系正在碰撞的歷史進(jìn)程中。科學(xué)家們認(rèn)為，在宇宙的早期，這種碰撞更為頻繁。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)雙超大質(zhì)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(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡找到過一對(duì)比MCG-03-34-64更接近的雙黑洞，但在其他波長(zhǎng)上沒有得到證實(shí)。而這次，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，天文學(xué)家在哈勃望遠(yuǎn)鏡的高分辨率照片中發(fā)現(xiàn)嵌套在宿主星系中的三個(gè)光學(xué)衍射峰，這表明在一個(gè)非常小的區(qū)域內(nèi)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(nèi)一定還有別的東西。

哈勃望遠(yuǎn)鏡在可見光波段觀測(cè)到的三個(gè)光斑 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

錢德拉望遠(yuǎn)鏡在X射線波段觀測(cè)到的兩個(gè)尖峰 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

然后，另外一組團(tuán)隊(duì)利用“錢德拉”在X射線下對(duì)同一星系進(jìn)行了研究，結(jié)果看到了兩個(gè)分離的、強(qiáng)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(zhì)量黑洞在吞噬物質(zhì)的時(shí)候，吸積盤上就會(huì)釋放出X射線。為了驗(yàn)證這一推測(cè)，研究人員還使用了位于美國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)，同樣看到了比較明顯的兩個(gè)峰。由此可以得出結(jié)論，我們很可能觀察到兩個(gè)距離很近的超大質(zhì)量黑洞。

甚大陣（VLA）在對(duì)應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)兩個(gè)尖峰 | 圖源：Anna Trindade Falc?o et al. 2024

至于“哈勃”望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的第三個(gè)明亮的點(diǎn)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(rèn)為這可能某種氣體，受到來自其中一個(gè)黑洞的超高速等離子射流（stream）的沖擊。

天文學(xué)家推測(cè)，這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞曾經(jīng)都位于各自主星系的核心。當(dāng)這兩個(gè)星系開始合并，兩個(gè)黑洞就相互靠近了。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間中，它們盤旋在一起。現(xiàn)在，彼此間只剩300光年了——這對(duì)星系尺度而言已經(jīng)是相當(dāng)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(dòng)時(shí)空。現(xiàn)在，我們還沒有探測(cè)這種級(jí)別引力波的能力。中國(guó)、歐洲都在研制空間引力波探測(cè)項(xiàng)目，10年后，或許我們就可以驗(yàn)證兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的時(shí)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/