星系碰撞在宇宙中很常见，这使得它们的中心黑洞最终也很可能汇聚在一起。随着两个星系的合并，它们的黑洞预计会相互靠近，开始相互绕转，并逐渐向内螺旋直至合并成一个单一的天体。
尽管有这一预期，科学家们仍然难以对这些合并的最后阶段进行建模。更令人困惑的是，尽管有大量星系碰撞的证据，天文学家至今未能可靠地识别出一对距离极近、相互绕转的超大质量黑洞。
第二条喷流揭示了一个隐藏的黑洞
由位于波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的Silke Britzen领导的一个国际研究团队现已发现了直接的观测证据，表明在Mrk 501星系中心存在这样一对黑洞。这些发现已被《英国皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）接受发表，并计划在即将出版的一期中刊出。
天文学家早就知道，Mrk 501中心的黑洞会产生一股强烈的粒子喷流，以接近光速的速度射向太空。这些喷流源于黑洞周围的极端条件，那里强大的磁场有助于将物质向外加速。
为了研究该系统，研究人员检查了在约23年间的几十个不同日子、多个频率下收集的详细射电观测数据。这个庞大的数据集揭示了一个非凡的现象：在熟悉的喷流旁边，还存在着第二条喷流，其运动也可以被追踪到。
这些观测提供了研究人员所说的星系中心存在此类系统的首个直接成像证据，有力地表明存在第二个超大质量黑洞。然而，这两个黑洞在天空中的距离仍然太近，无法被单独分辨出来。
“我们寻找它这么久，然后完全出乎意料的是，我们不仅能看到第二条喷流，甚至还能追踪它的运动，”Silke Britzen报告说。
宇宙之舞中的两个超大质量黑洞
先前已知的喷流指向地球，使其看起来异常明亮且相对容易观测。新识别出的喷流指向不同的方向，这有助于解释为什么它隐藏了这么久。
在短短几周的观测中，天文学家注意到第二条喷流的位置发生了剧烈变化。它似乎从较大黑洞的后方出现，并围绕其逆时针扫过。这种运动不断重复，表明整个系统正在经历有规律的轨道运动。
“评估这些数据就像在船上一样。整个喷流系统都在运动。一个双黑洞系统可以解释这一点：轨道面在摇摆，”Silke Britzen解释道。
研究人员还发现了2022年6月发生的一次不寻常事件，当时来自该系统的辐射似乎形成了一个环。这种现象被称为爱因斯坦环，是引力弯曲光线从而产生环状外观时发生的。
一种可能的解释是，这两个黑洞和地球在短时间内以恰到好处的方式排成一线。在这种构型下，前景黑洞的引力可能起到了透镜的作用，弯曲了其背后第二条喷流发出的光。这种效应被称为引力透镜效应，为该系统的性质提供了另一条潜在线索。
两个黑洞可能在短短100年内合并
通过检查喷流的变化及其亮度的重复模式，该团队计算出这两个黑洞似乎大约每121天完成一次相互绕转。
它们估计的间距仅为地球与太阳之间距离的250到540倍。虽然这听起来可能很庞大，但对于质量介于我们太阳质量1亿倍到10亿倍之间的天体来说，这已经非常小了。
如此紧密的轨道可能会产生戏剧性的后果。根据黑洞的实际质量，它们之间的距离可能会迅速缩小，以至于它们最快在100年内就会合并。
按照天文学标准，这将是一个异常短暂的倒计时，可能会给研究人员提供一个绝佳的机会，来研究超大质量黑洞如何接近其最终碰撞。
引力波可能揭示即将到来的合并
遗憾的是，Mrk 501距离我们如此遥远，即使是当今最强大的仪器也无法将这两个黑洞区分为独立的天体。在2019年和2022年生成首批黑洞图像的事件视界望远镜（EHT），也缺乏单独捕捉这对黑洞所需的分辨率。
因此，天文学家将无法直接观察到这两个黑洞之间距离的缩小。然而，另一种方法可以揭示它们的靠近。
当大质量天体相互绕转时，它们会产生引力波——即在时空中传播的微小扭曲。Mrk 501中提出的这对黑洞应该会产生极低频的引力波，可以使用脉冲星计时阵列（PTAs）探测到。
这些阵列使用快速旋转的中子星（即脉冲星）发出的极其规律的射电脉冲作为精确的宇宙时钟。通过测量这些脉冲到达地球时的细微变化，科学家可以寻找经过的引力波产生的影响。
超大质量黑洞双星（SMBHBs）已被认为是引力波背景的主要解释，这种背景信号被认为源自宇宙中许多遥远的波源。2023年，欧洲脉冲星计时阵列和其他研究合作组织报告了这种背景的证据。
现在，Mrk 501的发现使该星系成为将引力波信号与一对具体的超大质量黑洞联系起来的一个极具前景的目标。
这样的探测不仅能证实该系统的存在。它还可能允许科学家测量这对黑洞的轨道如何演化，并确定这两个黑洞是否正在接近其最终的合并。
“如果探测到引力波，我们甚至可能看到它们的频率随着两个巨物螺旋靠近碰撞而稳步上升，这提供了一个罕见的机会来目睹超大质量黑洞合并的展开，”合著者Héctor Olivares指出。