天文学家测量了迄今为止发现的最重的黑洞对

利用北双子座望远镜的档案数据，一组天文学家测量了迄今为止发现的最重的一对超大质量黑洞。两个超大质量黑洞的合并是一种早就被预测到的现象，尽管从未被观测到。这一巨大的对提供了线索，解释了为什么这样的事件在宇宙中似乎不太可能发生。

几乎每个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合并时，它们的黑洞可以形成一对双星对，这意味着它们彼此处于束缚轨道上。据推测，这些双星注定最终会合并，但这从未被观察到。几十年来，这样的事件是否可能发生的问题一直是天文学家讨论的话题。

在《天体物理学杂志》最近发表的一篇论文中，天文学家团队对这个问题提出了新的见解。

该团队使用来自夏威夷双子座北望远镜(NSF NOIRLab 运营的国际双子座天文台的一半)的数据来分析位于椭圆星系 B2 0402+379 内的超大质量黑洞双星。这是迄今为止唯一一个被解析得足够详细，可以分别看到两个物体的超大质量黑洞双星，并且它保持着直接测量到的最小间隔的记录——只有 24 光年。虽然这种紧密的分离预示着一次强大的合并，但进一步的研究表明，这对粒子在这个距离上已经停滞了超过 30 亿年，这就引出了一个问题：阻碍是什么?

为了更好地了解该系统的动态及其停止的合并，该团队查阅了双子座北座双子座多目标摄谱仪(GMOS)的档案数据，这使他们能够确定黑洞附近恒星的速度。

斯坦福大学物理学教授、该论文的合著者罗杰·罗马尼 (Roger Romani) 表示：“GMOS 出色的灵敏度使我们能够绘制出当我们靠近星系中心时恒星速度增加的图。” “这样，我们就能够推断出那里黑洞的总质量。”

研究小组估计这对双星的质量高达太阳的 280 亿倍，使这对双星成为有史以来测量到的最重的双星黑洞。这一测量不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了有价值的背景，而且支持了一个长期存在的理论，即超大质量双星黑洞的质量在阻止潜在合并方面发挥着关键作用。

“为国际双子座天文台服务的数据档案蕴藏着一座尚未开发的科学发现的金矿，”美国国家科学基金会国际双子座天文台项目主任马丁·斯蒂尔说。“对这个极端超大质量双黑洞的质量测量是一个令人敬畏的例子，说明了探索这一丰富档案的新研究的潜在影响。”

了解这个双星系统是如何形成的可以帮助预测它是否以及何时合并——并且一些线索表明这对双星是通过多个星系合并形成的。首先，B2 0402+379 是一个“化石星团”，这意味着它是整个星系团中的恒星和气体合并成一个巨大星系的结果。此外，两个超大质量黑洞的存在，加上它们的巨大组合质量，表明它们是由来自多个星系的多个较小黑洞合并而成的。

星系合并后，超大质量黑洞不会正面相撞。相反，当它们进入一个束缚轨道时，它们开始弹弓越过对方。每经过一次，能量就会从黑洞转移到周围的恒星。当它们失去能量时，这对粒子被拖得越来越近，直到它们相距仅光年，引力辐射接管并合并。这个过程已经在成对的恒星质量黑洞中被直接观察到——第一次有记录的实例是在 2015 年通过引力波的探测——但从未在超大质量的双星黑洞中被观察到。

凭借对该系统极大质量的新认识，研究小组得出结论，需要异常大量的恒星来减慢双星轨道的运行速度，使它们能够如此接近。在这个过程中，黑洞似乎已经抛出了附近几乎所有的物质，使得星系的核心缺乏恒星和气体。由于没有更多的材料可以进一步减慢这对行星的轨道速度，它们的合并在最后阶段陷入了停滞。

罗马尼说：“通常情况下，具有较轻黑洞对的星系似乎有足够的恒星和质量，可以将两者快速聚集在一起。” “由于这对恒星太重，需要大量的恒星和气体才能完成这项工作。但是这对双星系统已经彻底清除了中央星系中的此类物质，使其陷入停滞状态，可供我们研究。”

这对粒子是否会克服停滞状态并最终在数百万年的时间尺度上合并，或者永远继续在轨道上徘徊，尚待确定。如果它们确实合并，产生的引力波将比恒星质量黑洞合并产生的引力波强大一亿倍。

这对星系有可能通过另一次星系合并来克服最后的距离，这将向系统注入额外的物质，或者可能是第三个黑洞，以减慢这对星系的轨道足以合并。然而，考虑到 B2 0402+379 作为化石星团的地位，另一次星系合并的可能性不大。

“我们期待对 B2 0402+379 的核心进行后续调查，看看其中存在多少气体，”斯坦福大学本科生、该论文的主要作者 Tirth Surti 说。“这应该让我们更深入地了解超大质量黑洞最终是否可以合并，或者它们是否会作为双星陷入困境。”