由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究人員牽頭的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析自1978年至2022年的射電和高能X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)M81星系中心黑洞噴流存在短周期擺動(dòng)和長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年的進(jìn)動(dòng)，并在射電和高能波段同時(shí)出現(xiàn)周期性光變。這為M81星系中央可能存在一個(gè)相距大約0.02秒差距（對(duì)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(cè)證據(jù)。這項(xiàng)研究成果為尋找單個(gè)納赫茲引力波源和解決長(zhǎng)期困擾星系并合領(lǐng)域的悖論——“最后秒差距問(wèn)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(gè)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(gè)過(guò)程：旋進(jìn)，并合和鈴宕。在這個(gè)過(guò)程中，超大質(zhì)量黑洞是較快地并合，還是會(huì)長(zhǎng)時(shí)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(cè)的證實(shí)，這個(gè)問(wèn)題也成為了天文學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注并需要解決的難題，即“最后秒差距問(wèn)題”。因此，研究和解決“最后秒差距問(wèn)題”，找到跨越由早期動(dòng)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(yàn)超大質(zhì)量黑洞并合理論和驗(yàn)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?yàn)榫嚯x地球非常遙遠(yuǎn)，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(cè)分辨出兩個(gè)黑洞。為探究“最后秒差距問(wèn)題”，該國(guó)際團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）的超高分辨率觀測(cè)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(lái)自美國(guó)甚大陣（VLA），美國(guó)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量陣（VLBA），以及VLBA分別聯(lián)合歐洲VLBI網(wǎng)（EVN）、德國(guó)Effelsberg 100米射電望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)Green Bank 110米射電望遠(yuǎn)鏡、上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡及25米佘山射電望遠(yuǎn)鏡等望遠(yuǎn)鏡和觀測(cè)陣列的長(zhǎng)達(dá)40多年的射電波段觀測(cè)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(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞常有的冷澤-提爾苓進(jìn)動(dòng)（Lense-Thirring precession），而是類(lèi)似于陀螺儀繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出的短周期章動(dòng)和長(zhǎng)周期進(jìn)動(dòng)（圖1）。這種現(xiàn)象與小黑洞對(duì)主黑洞吸積盤(pán)施加作用力矩，使得垂直于吸積盤(pán)的噴流軸發(fā)生多重振蕩，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生每個(gè)軌道周期兩次擺動(dòng)和長(zhǎng)周期進(jìn)動(dòng)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(cè)到M81的多波段周期光變，并檢測(cè)到噴流中0.1倍光速的離散噴流成分，進(jìn)一步排除了LT進(jìn)動(dòng)的可能性。結(jié)合多個(gè)空間高能X射線望遠(yuǎn)鏡自1978年至2022年的觀測(cè)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(lái)，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(shí)間間隔與噴流的擺動(dòng)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(pán)不共面情形下，小黑洞每運(yùn)轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩次主黑洞吸積盤(pán)吸積率增強(qiáng)的爆發(fā)現(xiàn)象相符（圖2中的B圖與C圖）。根據(jù)開(kāi)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(gè)相距0.02pc的雙黑洞系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的引力波頻率是2納赫茲，且引力波應(yīng)變還遠(yuǎn)低于目前脈沖星計(jì)時(shí)陣的探測(cè)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(shí)標(biāo)不需要哈勃宇宙學(xué)時(shí)間，這為回答“最后秒差距問(wèn)題”提供了重要樣本。
圖2，M81的VLBI觀測(cè)結(jié)果和多波段光變曲線，（A）噴流方位角（綠點(diǎn)）變化和雙黑洞模型擬合（紅色曲線）結(jié)果，藍(lán)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(dòng)（圖中正弦變化）和長(zhǎng)周期進(jìn)動(dòng)（長(zhǎng)趨勢(shì)項(xiàng)）；（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(shí)爆發(fā)，由雙黑洞理論模擬，軌道面與吸積盤(pán)不共面場(chǎng)景下每個(gè)軌道周期會(huì)有兩次爆發(fā)，得到雙黑洞軌道周期約為30年；（D）不同時(shí)期的VLBI圖像，顯示噴流軸（綠色）繞參考軸（紅色）來(lái)回?cái)[動(dòng)。（Jiang et al. 2023）
本課題主要得到國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目和包括上海天馬望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)等全球各射電望遠(yuǎn)鏡及陣列、空間高能X射線望遠(yuǎn)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(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，jiangwu@shao.ac.cn
沈志強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，zshen@shao.ac.cn
