由中國科學(xué)院上海天文臺研究人員牽頭的國際科研團隊通過分析自1978年至2022年的射電和高能X射線觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)M81星系中心黑洞噴流存在短周期擺動和長達數(shù)百年的進動，并在射電和高能波段同時出現(xiàn)周期性光變。這為M81星系中央可能存在一個相距大約0.02秒差距（對應(yīng)軌道周期30年左右）的超大質(zhì)量雙黑洞候選體提供了觀測證據(jù)。這項研究成果為尋找單個納赫茲引力波源和解決長期困擾星系并合領(lǐng)域的悖論——“最后秒差距問題”提供了重要參考。相關(guān)研究成果于11月29日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（ The Astrophysical Journal）上。
根據(jù)星系并合理論，兩個星系由相距數(shù)千秒差距（parsec, pc）到最后并合形成新的星系，星系中央的超大質(zhì)量黑洞也逐漸向中央靠攏并輻射引力波，最終合并成質(zhì)量更大的黑洞。通常認(rèn)為黑洞最終并合需經(jīng)歷三個過程：旋進，并合和鈴宕。在這個過程中，超大質(zhì)量黑洞是較快地并合，還是會長時間鎖定在環(huán)繞彼此的大約1pc間隔軌道上，從上世紀(jì)80年代初提出至今尚未得到觀測的證實，這個問題也成為了天文學(xué)家長期關(guān)注并需要解決的難題，即“最后秒差距問題”。因此，研究和解決“最后秒差距問題”，找到跨越由早期動力摩擦力牽引演化到引力波輻射階段，也就是相距亞秒差距以內(nèi)的超大質(zhì)量雙黑洞，是檢驗超大質(zhì)量黑洞并合理論和驗證極低頻引力波預(yù)言極其重要的一步。
亞秒差距尺度的超大質(zhì)量雙黑洞因為距離地球非常遙遠，加之雙黑洞系統(tǒng)的質(zhì)量差異和吸積性質(zhì)，天文學(xué)家很難直接觀測分辨出兩個黑洞。為探究“最后秒差距問題”，該國際團隊通過利用甚長基線干涉測量（VLBI）的超高分辨率觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)M81噴流方位角存在一定周期的變化規(guī)律，并追溯和重新分析了來自美國甚大陣（VLA），美國甚長基線干涉測量陣（VLBA），以及VLBA分別聯(lián)合歐洲VLBI網(wǎng)（EVN）、德國Effelsberg 100米射電望遠鏡、美國Green Bank 110米射電望遠鏡、上海65米天馬望遠鏡及25米佘山射電望遠鏡等望遠鏡和觀測陣列的長達40多年的射電波段觀測數(shù)據(jù)。研究人員發(fā)現(xiàn)M81噴流方位角的變化規(guī)律不同于單個旋轉(zhuǎn)黑洞常有的冷澤-提爾苓進動（Lense-Thirring precession），而是類似于陀螺儀繞中心軸旋轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出的短周期章動和長周期進動（圖1）。這種現(xiàn)象與小黑洞對主黑洞吸積盤施加作用力矩，使得垂直于吸積盤的噴流軸發(fā)生多重振蕩，對應(yīng)產(chǎn)生每個軌道周期兩次擺動和長周期進動吻合。
圖1，近鄰星系M81的亞秒差距超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)概念示意圖
研究人員還監(jiān)測到M81的多波段周期光變，并檢測到噴流中0.1倍光速的離散噴流成分，進一步排除了LT進動的可能性。結(jié)合多個空間高能X射線望遠鏡自1978年至2022年的觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)，從1978年至今的40多年來，M81已經(jīng)出現(xiàn)了三次明顯的多波段爆發(fā)，并且爆發(fā)的時間間隔與噴流的擺動周期幾乎一致。這與理論數(shù)值模擬結(jié)果，小黑洞軌道面和主黑洞吸積盤不共面情形下，小黑洞每運轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩次主黑洞吸積盤吸積率增強的爆發(fā)現(xiàn)象相符（圖2中的B圖與C圖）。根據(jù)開普勒第三定律，由軌道周期和黑洞質(zhì)量，研究人員確定這是一個相距0.02pc的雙黑洞系統(tǒng)，系統(tǒng)對應(yīng)的引力波頻率是2納赫茲，且引力波應(yīng)變還遠低于目前脈沖星計時陣的探測靈敏度。更令人欣喜的是，該雙黑洞之間的0.02pc距離預(yù)示它已經(jīng)非常接近引力波輻射主導(dǎo)的階段。這在一定程度上表明，星系并合的時標(biāo)不需要哈勃宇宙學(xué)時間，這為回答“最后秒差距問題”提供了重要樣本。
圖2，M81的VLBI觀測結(jié)果和多波段光變曲線，（A）噴流方位角（綠點）變化和雙黑洞模型擬合（紅色曲線）結(jié)果，藍色曲線表示噴流與視線方向的夾角。根據(jù)雙黑洞模型，噴流方位角呈現(xiàn)短周期擺動（圖中正弦變化）和長周期進動（長趨勢項）；（B）射電光變曲線，（C）X射線光變曲線，射電和X射線光變曲線表明M81在近40多年經(jīng)歷了3次主要的多波段同時爆發(fā)，由雙黑洞理論模擬，軌道面與吸積盤不共面場景下每個軌道周期會有兩次爆發(fā)，得到雙黑洞軌道周期約為30年；（D）不同時期的VLBI圖像，顯示噴流軸（綠色）繞參考軸（紅色）來回擺動。（Jiang et al. 2023）
本課題主要得到國家科技部重點研發(fā)項目，國家自然科學(xué)基金委等項目和包括上海天馬望遠鏡在內(nèi)等全球各射電望遠鏡及陣列、空間高能X射線望遠鏡（Einstein, EXOSAT, Ginga, ROSAT, BBXRT, Chandra, XMM-Newton和Swift）的大力支持。
科學(xué)聯(lián)系人：
江悟，中國科學(xué)院上海天文臺，jiangwu@shao.ac.cn
沈志強，中國科學(xué)院上海天文臺，zshen@shao.ac.cn
