國家天文臺等發現隱藏在最近的類星體中的超大質量雙黑洞

　　近日，中國科學院國家天文臺研究人員陸由俊、閆昌碩和合作者發現在最近的類星體Markarian 231中隱藏的超大質量雙黑洞。該項研究成果已經發表在國際期刊《天體物理雜志》（The Astrophysical Journal) 上（Yan, Lu, Dai, & Yu 2015, ApJ, 809, 117； DOI: 10.1088/0004-637X/809/2/117）。

　　觀測表明絕大多數星系中心都存在超大質量黑洞。在標準冷暗物質宇宙模型中，大質量星系是由小質量星系合并形成的，星系合并就不可避免地產生超大質量雙黑洞。同時，富含氣體的星系合并會導致氣體向中心流入觸發核活動性并形成類星體。因此，理論預期在相當多的類星體中存在超大質量雙黑洞。然而觀測上有關超大質量雙黑洞存在的證據仍很模糊、稀少。尋找、證認雙黑洞對理解類星體和星系的形成演化以及進一步研究引力波和基本引力理論具有重要意義。

　　由國家天文臺陸由俊和閆昌碩、美國俄克拉荷馬大學戴新宇、北京大學科維理天文與天體物理研究所于清娟組成的研究團隊分析了最近的類星體Markarian 231(圖1)的連續譜。根據哈勃望遠鏡對Markarian 231核心紫外輻射的觀測和凱克等望遠鏡的光學觀測數據，他們發現Markarian 231“極端并且令人驚奇的性質”可以很好地用超大質量雙黑洞的吸積來解釋。

　　如果在該類星體中心只存在一個黑洞，那么由其附近熾熱氣體形成的吸積盤就會發射大量的紫外射線。然而，觀測顯示來自盤中心的紫外輻射驟然減弱（圖2）。這一特征就為吸積盤上存在著一個巨大的繞中心黑洞旋轉的面包圈洞結構（donut hole；圖3）提供了有力觀測證據。基于動力學模型，對此光學紫外連續譜的最好解釋就是吸積盤中心是由兩個相互繞轉的超大質量黑洞構成，它們將吸積盤內區物質掃除殆盡。中心主黑洞的質量約為1.5億個太陽質量，而在圈洞內繞主黑洞旋轉的次黑洞的質量則有4百萬個太陽質量。次黑洞攜帶有一小吸積盤并發射紫外輻射。它們的軌道周期為1.2年。雙黑洞的共同旋繞會發射引力波、損失能量，并最終在幾十萬年后碰撞。

　　 低質量的次黑洞是和Markarian 231并合的星系的遺跡。寄主星系的不對稱性以及年輕的藍色恒星的長長的潮汐尾，都表明它們近期經歷過并合。并合的結果使得Markarian 231成為一個恒星形成率為銀河系100倍的活躍星爆星系。落入中心的氣體為黑洞“引擎”提供燃料，觸發外流和氣體湍流并進一步激發恒星誕生的大爆發。

　　 這項發現不僅揭示了Markarian 231中存在密近超大質量雙黑洞，它還表明很多類星體——由星系并合觸發的活動星系的明亮核心中都有可能存在相互繞轉的雙黑洞。該項研究為通過類星體的光學或紫外輻射缺失來系統搜尋這些超大質量雙黑洞提供了樣板。

　　8月27日，哈勃空間望遠鏡新聞中心宣布了這一發現。另外，該項研究也被美國天文學會的NOVA網站選為亮點工作推介。

　　此研究得到了國家基金委的面上項目和中國科學院先導“宇宙結構起源”專項的資助。