近日，中国科学院上海天文台安涛研究员牵头的研究团队利用甚长基线干涉测量技术（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）对一个即将并合的双黑洞候选体SDSS J143016.05+230344.4（以下简称J1430+2303）进行了首次高分辨率成像观测，研究了该天体并合前的射电结构和辐射状态，对今后对比研究双黑洞合并前后的辐射和动力学特征提供了重要的参考。相关研究成果发表在《天文学和天体物理学》(Astronomy & Astrophysics)。
现有大量天文观测表明，大质量星系的中心普遍存在超大质量黑洞，在等级成团星系宇宙学演化框架下，星系并合必然产生超大质量双黑洞。在其轨道演化的最后阶段，超大质量双黑洞将以引力波的形式释放出巨大的能量。因此，旋进的超大质量双黑洞是纳赫兹引力波的主要辐射源，在宇宙学、星系形成和黑洞演化中具有重要研究价值。并合阶段双黑洞之间的距离在毫秒差距量级（1秒差距=3.26光年），超出了目前望远镜的分辨率极限，因此至今仍无发现报道。借助近年来飞速发展的时域天文观测技术，天文学家有机会通过活动星系核周期性光变的新思路来系统地搜寻超大质量双黑洞，从而克服了直接成像的困难。然而，迄今所有的候选体都未表现出临近并合双黑洞预期的周期衰减特征。直到最近,由中国科学技术大学蒋凝博士领衔的国际团队发现J1430+2303的光变曲线呈现出独特的周期性特征。在过去3年里，J1430+2303的光变曲线周期从一年逐渐减小到三个月，同时，光变的振幅也逐渐减小[1]。结合其他观测特征和模型预测的结果，作者认为J1430+2303是一个将在三年内完成并合的超大质量双黑洞系统。如果这一发现得到证实，它将是人类有史以来观测到的第一例超大质量双黑洞合并事件，为检验黑洞演化和引力波理论提供了最佳对象。
为了进一步验证双黑洞的真实性，包括蒋凝团队在内的几个国际团队一直在密集监测J1430+2303的多波段辐射及其变化情况。射电喷流与黑洞的活动密切相关，因此是示踪双黑洞并合过程的一个指标。由于J1430+2303的射电辐射很微弱，而且集中在星系核区，因此为观测到星系核的射电结构，就需要借助拥有极高分辨率的射电望远镜阵列来实现。上海天文台的安涛团队使用VLBI技术对J1430+2303进行了观测研究。VLBI是目前唯一一种能够获得毫角秒高分辨率的成像技术。高分辨率成像观测可以排除来自恒星形成活动的弥散辐射，对研究黑洞的内部射电结构的变化和辐射机制至关重要。研究团队利用最先进的欧洲VLBI网络（European VLBI Network, EVN）和美国甚长基线干涉阵列（Very Long Baseline Array, VLBA），在1.6GHz、1.7GHz和4.9GHz获得了J1430+2303的高分辨率图像。所有三个波段的图像均一致地显示了一个致密的点源（图1）。负责VLBI数据处理的张迎康博士解释说：“这个致密射电源的亮温度很高，而且射电谱非常平坦，这些是光学厚喷流（即射电核）的典型观测特征。”团队中的汪爱玲博士也补充道：“吸积盘上方热冕中的相对论电子也能够产生非热同步辐射，而且射电流量在不同频率变化不大。由于冕的尺寸远小于喷流，可以继续在高频获得更高分辨率图像来区分喷流或冕。”
值得注意的是，VLBI只探测到大约40%的流量，剩下的60%被分解了。这些被分解的流量可能来自于距离核心为几十秒差距的射电瓣，或者来自于活动星系核窄线区中高速电离外流产生的激波，或者结构化喷流的外层延展部分被VLBI的高分辨率分解掉了。进一步的观测将有助于了解J1430+2303的射电辐射的来源构成。通过比较不同分辨率的射电观测，我们可以清楚地推断，J1430+2303的相对论喷流被限制在宿主星系的窄线区内，而无法扩展到更大的范围。这种窒息的喷流在其它射电宁静活动星系核中非常普遍（如Mrk231[2]）。相反，射电噪活动星系核的强大射电喷流，即使与星际介质中发生了强烈的碰撞而失去了一部分机械能（正如在3C48中观测到的破碎喷流[3]），仍然有足够的能量和动量来突破宿主星系星际介质的束缚，达到几万光年甚至更远的距离。
团队的首轮VLBI观测确定了J1430+2303的星系核的精确位置，为以后的VLBI监测打下了良好的基础，并已第一时间向国际其他VLBI观测团队分享了坐标位置。目前，科研团队已完成了第二轮VLBI观测和宽波段射电谱型测量，相关论文将陆续发表。国际上多个研究团队也在使用不同的望远镜对J1430+2303开展射电观测。安涛研究员展望：“在接下来的几年里，持续的射电谱和VLBI成像观测将为跟踪超大质量双黑洞合并前的最后时刻的活动性提供关键的观测信息，与合并后的射电观测相比较，将能够对超大质量双黑洞演化模型以及合并后的黑洞吸积和喷射模型给出严格的约束。”
本项工作得到了国家重点研发计划大科学装置、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、上海市扬帆计划等项目的支持。
图1：J1430+2303的高分辨率VLBI图像
论文链接：
科学联系人：
安涛，中国科学院上海天文台，antao@shao.ac.cn
参考文献：
[1] Jiang, N., Yang, H., Wang, T., et al. "Tick-Tock: The Imminent Merger of a Supermassive Black Hole Binary". arXiv e-prints,: arXiv:2201.11633 (2022).
[2] Wang, A., An, T., Jaiswal, S., et al. "The obstructed jet in Mrk 231". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 504: 3823 (2021).
[3] An, T., Hong, X. Y., Hardcastle, M. J., et al. "Kinematics of the parsec-scale radio jet in 3C 48". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 402: 87 (2010).
