NASA的哈勃和钱德拉发现一对超大质量黑洞

这是艺术家描绘的位于两个正在合并星系中心的一对活跃黑洞。它们都被炽热气体的吸积盘包围。部分物质沿着每个黑洞的自旋轴喷出。在强大磁场的束缚下，这些喷流以近乎光速的速度在太空中迸发出毁灭性的能量束。
影像来源: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

就像两位相扑选手对峙一样，我们观测到了距离最近的一对超大质量黑洞。这两个黑洞相距约300光年，是通过NASA的哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台探测到的。这些黑洞深埋在一对正在碰撞的星系中，由内落的气体和尘埃提供燃料，使其作为活跃星系核（AGN）发出明亮的光芒。

这对AGN是使用多波段（可见光和X射线）观测在局部宇宙中观测到的最接近的一对。尽管之前发现了几十个“双”黑洞，但它们之间的距离通常比在富含气体的星系MCG-03-34-64中发现的距离要大得多。天文学家利用射电望远镜观测到了一对比MCG-03-34-64更接近的双黑洞，但没有在其他波长上得到证实。

在星系合并更为频繁的宇宙早期，像这样的双AGN可能更为常见。这一发现提供了一个独特的近距离观测机会，这对黑洞位于大约8亿光年之外。

哈勃太空望远镜拍摄的星系MCG-03-34-064的可见光图像。通过哈勃望远镜的高清视野，我们可以看到星系中心的白色椭圆中嵌入了三个明显的亮点（在右上角的插图中放大）。其中两个亮点是强烈X射线辐射的来源，这是超大质量黑洞的明显特征。黑洞之所以在太空中发光，是因为它们正在将落入的物质转化为能量，并作为AGN在太空中明亮地闪耀。它们之间的距离约为300光年。第三个亮点是一团明亮的气体。指向5点钟位置的蓝色条纹可能是从其中一个黑洞喷射出的喷流。这对黑洞是两个星系合并的结果，它们最终会发生碰撞。
影像来源: NASA, ESA, Anna Trindade Falcão (CfA); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

这一发现非常偶然。哈勃的高分辨率成像显示，宿主星系内部嵌套着三个光学衍射尖峰，表明在一个非常小的区域内集中了大量发光的氧气体。“我们没有预料到会看到这样的东西。”马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密松天体物理中心的安娜·特林达德·法尔考（Anna Trindade Falcão）说道，她是今天发表在《天体物理学杂志》上的论文的第一作者。“这种景象在附近的宇宙中并不常见，这告诉我们星系内部还有其他事情在发生。”

衍射尖峰是一种成像伪影，当来自太空中极小区域的光线在望远镜内的镜面上发生弯曲时就会产生这种现象。

法尔考的研究小组随后利用钱德拉天文台在X射线下对同一个星系进行了研究，以深入探讨其中的奥秘。“当我们在X射线波段观察MCG-03-34-64时，我们看到了两个分离的、强大的高能发射源，它们与哈勃看到的明亮光学光点重合。我们将这些信息拼凑在一起，得出结论：我们看到的很可能是两个距离很近的超大质量黑洞。”法尔考说道。

在一项意外的发现中，天文学家使用NASA的哈勃太空望远镜发现，在距离地球5400万光年的巨大星系M87核心处的超大质量黑洞喷射出的喷流似乎会导致恒星沿其轨迹爆发。这些恒星称为新星，它们并没有被喷流卷入，而是被卷入了喷流附近的危险区域。
影像来源: NASA’s Goddard Space Flight Center; 首席制作人: Paul Morris

为了支持他们的解释，研究人员使用了位于新墨西哥州索科罗附近的卡尔·G·杨斯基甚大阵列的档案射电数据。这对充满能量的黑洞也发出强大的射电波。“当你在光学、X射线和射电波长下看到明亮的光时，很多因素都可以被排除，结论是这些只能用近距离的黑洞来解释。当你将所有信息拼凑在一起时，就形成了一对AGN的画面。”法尔考说。

哈勃看到的第三个亮点的来源不明，需要更多数据来了解它。这可能是被其中一个黑洞喷射出的超高速等离子体的喷流能量所冲击的气体，就像花园水管中的水流喷射到沙堆中一样。

“如果没有哈勃惊人的分辨率，我们不可能看到所有这些复杂细节。”法尔考说。

这两个超大质量黑洞曾是各自宿主星系的核心。星系之间的合并使黑洞变得非常接近。它们将继续螺旋式地靠近，直到最终合并——可能在一亿年后——以引力波的形式扰动时空结构。

美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）已经探测到数十个恒星质量黑洞合并产生的引力波。但是，超大质量黑洞合并产生的波长更长的引力波超出了LIGO的能力范围。下一代引力波探测器被称为激光干涉空间天线（LISA）任务，将由太空中相隔数百万英里的三个探测器组成，以捕捉来自深空的这些波长更长的引力波。欧洲航天局（ESA）领导这项任务，并与NASA及其他参与机构合作，计划于2030年代中期发射。

NASA的马歇尔太空飞行中心管理着钱德拉计划。史密森天体物理天文台的钱德拉X射线中心控制着马萨诸塞州剑桥的科学操作和马萨诸塞州伯灵顿的飞行操作。位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼太空技术公司是该航天器的主承包商。

哈勃太空望远镜已经运行了30多年，不断取得突破性的发现，塑造了我们对宇宙基本理解的认知。哈勃太空望远镜是美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务操作。位于科罗拉多州丹佛的洛克希德·马丁航天公司也支持戈达德的任务操作。位于马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所，由天文学研究大学协会运营，负责NASA的哈勃科学操作。

参考来源：
https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-find-supermassive-black-hole-duo/