由中国科学院上海天文台研究人员牵头的国际科研团队通过分析自1978年至2022年的射电和高能X射线观测数据，发现M81星系中心黑洞喷流存在短周期摆动和长达数百年的进动，并在射电和高能波段同时出现周期性光变。这为M81星系中央可能存在一个相距大约0.02秒差距（对应轨道周期30年左右）的超大质量双黑洞候选体提供了观测证据。这项研究成果为寻找单个纳赫兹引力波源和解决长期困扰星系并合领域的悖论——“最后秒差距问题”提供了重要参考。相关研究成果于11月29日发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。
根据星系并合理论，两个星系由相距数千秒差距（parsec, pc）到最后并合形成新的星系，星系中央的超大质量黑洞也逐渐向中央靠拢并辐射引力波，最终合并成质量更大的黑洞。通常认为黑洞最终并合需经历三个过程：旋进，并合和铃宕。在这个过程中，超大质量黑洞是较快地并合，还是会长时间锁定在环绕彼此的大约1pc间隔轨道上，从上世纪80年代初提出至今尚未得到观测的证实，这个问题也成为了天文学家长期关注并需要解决的难题，即“最后秒差距问题”。因此，研究和解决“最后秒差距问题”，找到跨越由早期动力摩擦力牵引演化到引力波辐射阶段，也就是相距亚秒差距以内的超大质量双黑洞，是检验超大质量黑洞并合理论和验证极低频引力波预言极其重要的一步。
亚秒差距尺度的超大质量双黑洞因为距离地球非常遥远，加之双黑洞系统的质量差异和吸积性质，天文学家很难直接观测分辨出两个黑洞。为探究“最后秒差距问题”，该国际团队通过利用甚长基线干涉测量（VLBI）的超高分辨率观测数据发现M81喷流方位角存在一定周期的变化规律，并追溯和重新分析了来自美国甚大阵（VLA），美国甚长基线干涉测量阵（VLBA），以及VLBA分别联合欧洲VLBI网（EVN）、德国Effelsberg 100米射电望远镜、美国Green Bank 110米射电望远镜、上海65米天马望远镜及25米佘山射电望远镜等望远镜和观测阵列的长达40多年的射电波段观测数据。研究人员发现M81喷流方位角的变化规律不同于单个旋转黑洞常有的冷泽-提尔苓进动（Lense-Thirring precession），而是类似于陀螺仪绕中心轴旋转时表现出的短周期章动和长周期进动（图1）。这种现象与小黑洞对主黑洞吸积盘施加作用力矩，使得垂直于吸积盘的喷流轴发生多重振荡，对应产生每个轨道周期两次摆动和长周期进动吻合。
图1，近邻星系M81的亚秒差距超大质量双黑洞系统概念示意图
研究人员还监测到M81的多波段周期光变，并检测到喷流中0.1倍光速的离散喷流成分，进一步排除了LT进动的可能性。结合多个空间高能X射线望远镜自1978年至2022年的观测数据分析结果，研究人员发现，从1978年至今的40多年来，M81已经出现了三次明显的多波段爆发，并且爆发的时间间隔与喷流的摆动周期几乎一致。这与理论数值模拟结果，小黑洞轨道面和主黑洞吸积盘不共面情形下，小黑洞每运转一周产生两次主黑洞吸积盘吸积率增强的爆发现象相符（图2中的B图与C图）。根据开普勒第三定律，轨道半径与黑洞质量和轨道周期存在对应关系。研究人员结合黑洞质量和轨道周期，确定这是一个相距0.02pc的双黑洞系统，其系统对应的引力波频率是2纳赫兹，且引力波应变还远低于目前脉冲星计时阵的探测灵敏度。更令人欣喜的是，该双黑洞之间的0.02pc距离预示它已经非常接近引力波辐射主导的阶段。这在一定程度上表明，星系并合的时标不需要哈勃宇宙学时间，这为回答“最后秒差距问题”提供了重要样本。
图2，M81的VLBI观测结果和多波段光变曲线，（A）喷流方位角（绿点）变化和双黑洞模型拟合（红色曲线）结果，蓝色曲线表示喷流与视线方向的夹角。根据双黑洞模型，喷流方位角呈现短周期摆动（图中正弦变化）和长周期进动（长趋势项）；（B）射电光变曲线，（C）X射线光变曲线，射电和X射线光变曲线表明M81在近40多年经历了3次主要的多波段同时爆发，由双黑洞理论模拟，轨道面与吸积盘不共面场景下每个轨道周期会有两次爆发，得到双黑洞轨道周期约为30年；（D）不同时期的VLBI图像，显示喷流轴（绿色）绕参考轴（红色）来回摆动。（Jiang et al. 2023）
本课题主要得到国家科技部重点研发项目，国家自然科学基金委等项目和包括上海天马望远镜在内等全球各射电望远镜及阵列、空间高能X射线望远镜（Einstein, EXOSAT, Ginga, ROSAT, BBXRT, Chandra, XMM-Newton和Swift）的大力支持。
科学联系人：
江悟，中国科学院上海天文台，jiangwu@shao.ac.cn
沈志强，中国科学院上海天文台，zshen@shao.ac.cn
