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艺术渲染图展示了马卡良501星系的中心，两条强大的喷流从该中心向外喷发。中心处的超大质量黑洞（其存在已为人所知）将其后方喷流的光线部分弯曲成所谓的爱因斯坦环。这条弯曲的喷流很可能源自第二个未被观测到的黑洞。射电观测结果以背景中的等高线形式呈现。图片来源：EmmaKun匈牙利科学院孔科利天文台借助人工智能支持制作

研究人员通过追踪两股粒子喷流，在马卡良501中发现了一对轨道紧密的超大质量黑洞。这个双星系统可能在100年内合并，并可能产生可探测的引力波。

当前证据表明，几乎每个大型星系的中心都存在一个超大质量黑洞，其质量从太阳的数百万倍到数十亿倍不等。这些天体究竟如何变得如此巨大仍是一个主要的未解之谜。仅靠从周围吸积气体的速度太慢，这表明与其他大质量黑洞的合并在它们的成长中起着关键作用。

星系碰撞在整个宇宙中很常见，这使得它们中心的超大质量黑洞最终也有可能合并。在合并成一个单一物体之前，这两个黑洞预计会相互绕转，同时逐渐靠近。

由波恩马克斯普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的SilkeBritzen领导的国际团队在Mrk501中心发现了超大质量黑洞对的直接迹象。这些研究结果已发表在《皇家天文学会月刊》上。

双喷流揭示一对隐藏的黑洞

观测结果提供了银河系中心这类系统的首张直接图像，并为第二个超大质量黑洞提供了有力证据。我们寻找它已经很久了，而令人完全意外的是，我们不仅能看到第二股喷流，甚至还能追踪它的运动，西尔克布里岑说。

这幅图像展示了星系Mrk501的中心区域在43吉赫兹频率下的三个不同观测日的情况。等高线表示发射强度，而灰色圆圈标记了喷流内的明亮区域，这些区域是通过模型计算确定的。人们可以通过追踪这些区域的运动来跟踪喷流的移动。指向地球的已知喷流（喷流1，橙色指引线）清晰可见。新发现的第二喷流（喷流2，蓝色）在几周内改变了外观。这两股粒子流都起源于星系核心中彼此靠近的位置。与喷流1相关的黑洞（BH）的位置用箭头标记。图片来源：S.Britzen

第一股喷流朝向地球，使其显得异常明亮，让天文学家得以对其研究多年。第二股喷流指向不同方向，这使得它更难被探测到。在短短几周内，研究人员记录到了重大变化。第二股喷流从较大黑洞的后方出现，并以重复模式绕其逆时针移动。

评估这些数据的感觉就像在船上一样。整个喷流系统都在运动。双黑洞系统可以解释这一点：轨道平面在晃动，西尔克布里岑解释道。

在某次观测中，该系统发出的辐射路径发生了严重扭曲，呈现出环状，即爱因斯坦环。最可能的解释是该系统与地球完美对齐。前景中的黑洞随后充当了引力透镜，弯曲了其后方另一束喷流的光线。

快速绕转黑洞双星的证据

通过研究喷流中的长期变化和重复的亮度模式，研究人员得出结论，这两个黑洞每121天相互绕转一次。它们的距离大约是地日距离的250到540倍（约232到502亿英里，或374到808亿公里），对于质量在1亿到10亿个太阳之间的天体来说，这个距离非常小。根据它们的实际质量，这对黑洞可能会迅速靠近，最快在100年内合并。

因为Mrk501距离地球非常遥远，即使是最先进的仪器也无法直接将这两个黑洞分辨为独立的天体。曾捕获首张黑洞图像的事件视界望远镜（EHT）也缺乏必要的分辨率。因此，天文学家无法直接观测到这对黑洞不断收缩的轨道。

即便如此，研究人员仍期望通过引力波探测到距离缩小的迹象。该系统应会产生极低频的引力波，这些引力波可通过脉冲星计时阵列（PTAs）进行观测。

超大质量黑洞双星（SMBHBs）已被认为是欧洲脉冲星计时阵列及其他合作项目探测到的引力波背景的主要解释。Mrk501现已成为将脉冲星计时阵列（PTA）测量结果与特定超大质量黑洞双星联系起来的最有力候选者之一。

合著者赫克托奥利瓦雷斯说：如果探测到引力波，我们甚至可能看到它们的频率随着这两个巨型天体螺旋式接近碰撞而稳步上升，这为观察超大质量黑洞合并的发生提供了一个难得的机会。

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相关知识

超大质量黑洞对是由两个质量达数百万至数十亿倍太阳质量的黑洞组成的绕转系统，通常因星系合并使各自中心的超大质量黑洞逐渐靠近形成。它们相互绕转时会辐射引力波，是宇宙中重要的引力波源之一，对研究广义相对论、黑洞演化及星系形成等具有关键意义。

BY: Max Planck Institute

FY: AI

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