天文学家在 Markarian 501 中检测到一对超大质量黑洞

天文学家已经发现了马卡里安 501 星系核心有两个超大质量黑洞相互绕转的直接证据。该星系距离地球约 4.8 亿光年。这一发现来自对十多年来收集的无线电数据的详细分析。主要标志是在已知射流旁边存在第二个相对论粒子射流。国际团队在《皇家天文学会月刊》接受的一项研究中发表了研究结果。

这项工作由德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的研究人员领导。他们重新处理了 2011 年 9 月至 2023 年 7 月期间使用甚长基线阵列进行的 83 组观测。这些观测的频率为 43 GHz。这个频率使得能够解析非常接近银河核的结构。与 15 GHz 和 8 GHz 等较低频率的数据进行比较，证实了这一发现。

无线电观测的详细信息

数据显示两个不同的喷流从同一个核中喷出。主喷流称为 Jet 1，指向地球方向，并且是已知的。第二个喷流称为“喷流 2”，在某些图像中出现在相反的一侧，然后绕着核逆时针弯曲。在十二年的监测中，这种配置被反复观察到。 Jet 2 组件以周和月为单位改变位置。

在 2022 年 6 月 24 日的观测中，Jet 2 的结构在主核心周围形成了部分弧形。研究人员将这条弧线解释为部分爱因斯坦环。它是由主黑洞的引力透镜作用于次级黑洞的射流发射引起的。图像的角分辨率达到十分之一毫角秒。这种精度对于分离结构至关重要。

在银河系参考系中，Jet 2 绕核运动的估计轨道周期约为 141 天。原子核的光变曲线的周期接近大约121天。还有一个 7.4 年的长期周期性，与系统轨道平面的进动相关。不同频率之间的系统变化表明存在两个不同的大质量物体。

• 喷射流 2 出现在反向喷射流的一侧，并逆时针弯曲，然后与喷射流 1 平行。
• 在随后的观测中，Jet 2 向南转向并融入主要的喷射结构中。
• 整个系统显示出多年来逐渐的顺时针漂移。
• 2016 年至 2017 年期间出现了暂时的回调，称为后空翻。
• 进动解释了轨道平面的摆动，就像旋转时摆动的陀螺一样。
• 开尔文-亥姆霍兹不稳定性等替代方案不会重现频率之间的不对称偏移。
• 二元模型成为对数据集最一致的解释。

首次在耀变体中检测到第二股喷流——这是一对罕见黑洞的迹象！

在耀变体 Markarian 501 (Mrk) 的核心发现了第二个喷流——这是一个罕见的证据，表明在……的边缘可能存在一对紧密的超大质量黑洞。pic.twitter.com/kzPzYPsI3O

— 黑洞 (@konstructivizm)2026 年 4 月 10 日

马卡良 501 星系的特征

Markarian 501 是耀变体，是活动星系核的一种亚型。在这种类型的物体中，其中一个喷流几乎直接指向地球。这种排列放大了相对论多普勒效应观察到的发射。该星系强烈发射TeV范围内的射电、X射线和伽马射线。它们的相对接近性有助于在秒差距尺度上进行高分辨率观测。

自 20 世纪 80 年代以来，天文学家注意到银河系射电结构的错位。这些变化发生在接近原子核的小尺度和千秒差距的大尺度之间。以前的模型提出了限制在狭窄锥体或简单进动中的螺旋射流。之前没有任何解释能够完全解释所观察到的突然变化。对两股喷流的直接探测解决了几十年来积累的部分谜团。

主黑洞的质量估计是太阳质量的数亿倍。第二个黑洞产生 Jet 2 并围绕第一个黑洞运行，其距离在 251 到 542 个天文单位之间变化，具体取决于假设的总质量。这个间隔相当于数十个史瓦西半径。双星系统的整个区域都位于比冥王星绕太阳轨道直径还小的空间中。

对超大质量黑洞演化的影响

超大质量黑洞主要通过星系碰撞期间的合并而生长。理论模型预测，星系合并后，中心黑洞形成一对受引力束缚的黑洞。他们开始绕着对方转。 Markarian 501 中的检测提供了该中间阶段的直接观察案例。到目前为止，类似的证据主要依赖于间接推理或运动学建模。

该系统可以发射频率约为8×10至负8赫兹的引力波。该频率落在脉冲星计时阵列的预期检测窗口内。正在建设中的平方公里阵列可以为未来在这种低频区域的搜索做出贡献。使用甚长基线阵列或未来的黑洞探测器进行更密集的观测可以进一步完善轨道几何结构。

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研究人员计算了双星的合并时间。如果质量相当，该系统还有数十亿年的时间。如果质量比非常小，比如0.001，时间就会缩短到数百年。最可信的模型指向相似的质量，这表明双星存在持久，距离最终合并还很远。一些报告提到了大约 100 年后合并的可能性，但研究作者对这一估计仍然持谨慎态度。

替代方案分析和方法严谨性

该团队研究了数据的替代解释。开尔文-亥姆霍兹不稳定性可以在射流中产生螺旋结构。还考虑了内部冲击或不均匀的质量载荷。这两种假设都无法解释频率之间的系统性偏移或 Jet 2 的重复轨道运动。同步加速器自吸收引起的核偏移已被排除，因为它发生在错误的方向上。

该分析对 83 个时期的每个时期都使用独立的高斯模型。没有强加先前的假设。似然分析方法使得量化参数的不确定性成为可能。与其他程序（例如 15 GHz 的 MOJAVE）的独立数据进行比较，强化了这一解释。这种交叉验证增加了对结果的信心。

该研究强调，这是对耀变体核心双喷流系统的首次直接成像探测。之前的工作提出了基于周期性或间接变化的二进制。这里的突破在于同时观察到在同一图像中共存的两个喷流。

历史背景和未来展望

几十年来，Markarian 501 一直在多种波长下进行监测。其高能伽马射线发射和曲折的射电结构引起了人们的关注。射电光曲线的 7.4 年周期性与在其他波长处观察到的变化一致。这增加了出现的图片的连贯性。

先前观察中报告的肢体增亮现象可能是由于低质量图像中 Jet 2 和 Jet 1 叠加造成的伪影。当第二个喷流未被识别时，它的结构就会与主喷流的边缘混淆。这种可能性为重新读取其他活动核心上的历史 VLBI 文件铺平了道路。

未来更密集的节奏观测可能会捕获 Jet 2 在特定配置下的快速通过。黑洞探测器的计划分辨率约为 6 微弧秒，将把 Markarian 501 作为优先目标。即使没有直接解决轨道分离问题，高保真图像也可以揭示为每个黑洞提供物质流动的细节。

在更广泛的范围内，该案例表明活跃的星系核是复杂的环境。带有一对垂直于吸积盘的喷流的单个黑洞的简单模型很有用，但在高分辨率下还不够。银河合并在宇宙中很常见。因此，超大质量黑洞双星必定大量存在。对现有长基线干涉测量数据收集的重新分析可能会揭示其他类似的情况。

这一发现强化了长期监测计划的价值。像甚长基线阵列这样的射电望远镜网络，其功能就像一个大陆大小的仪器，对于这些进步至关重要。通过对多年来积累的数据进行仔细分析，我们能够辨别出看似单个喷流的结构中的两个不同的螺纹。

宇宙继续揭示出额外的复杂性。几十年来，两个黑洞一直在马卡里安 501 的中心相互旋转。每个粒子都发射自己的等离子射流，其速度加速到接近光速。长期以来，仪器和观察者的期望只显示一架喷气式飞机。现在，通过高分辨率数据和细致的分析，科学确定了两者。这一发现不仅仅与特定系统有关。它为理解最大质量的黑洞如何生长以及星系如何在宇宙时间内演化提供了新的视角。