人類首證！天文學(xué)家拍到4.6億光年外的驚人一幕：耀變體雙噴流

在距離地球4.64億光年的武仙座，有一個(gè)讓天文學(xué)家困惑近40年的奇怪天體：耀變體Mrk 501。

耀變體作為宇宙中最明亮的天體之一，它有著接近光速的相對論性噴流，且噴流直指地球，它在全電磁波段釋放著驚人能量。

不過這個(gè)耀變體卻有一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：星系核秒差距級（1秒差距為3.26光年）的小尺度噴流，與千秒差距級的大尺度噴流，出現(xiàn)了完全無法解釋的方向錯(cuò)位。

最近，一項(xiàng)新的觀測研究，終于為這個(gè)謎題找到了最有力的答案，也為人類揭開了一個(gè)前所未見的宇宙場景。

這項(xiàng)已被《皇家天文學(xué)會月刊》接收發(fā)表的研究，由德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的西爾克·布里岑團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)。

團(tuán)隊(duì)重新分析了2011年9月到2023年7月間，甚長基線陣列在43GHz高頻射電波段采集的83組高分辨率觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)對比了15GHz、8GHz波段的歷史存檔觀測，最終在Mrk 501的星系核心，第一次通過直接成像，捕捉到了第二股獨(dú)立的相對論性噴流。

這也是人類首次在耀變體核心區(qū)，以直接成像的方式發(fā)現(xiàn)雙噴流系統(tǒng)。

對于活動(dòng)星系核來說，噴流是中心超大質(zhì)量黑洞最鮮明的標(biāo)識。

當(dāng)黑洞瘋狂吞噬周圍的氣體塵埃時(shí)，大部分物質(zhì)會在黑洞周圍形成熾熱的吸積盤，一小部分物質(zhì)則會被黑洞兩極的強(qiáng)磁場加速，從而以接近光速的速度沖向宇宙空間，形成綿延數(shù)千甚至數(shù)萬光年的等離子體噴流，這樣的噴流就被稱為相對論性噴流。

而耀變體，正是噴流方向幾乎正對著地球的活動(dòng)星系核，也正因如此，我們很難看清它核心區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，就像直視手電筒的光源，很難看清燈泡內(nèi)部的細(xì)節(jié)。

在這次的超高分辨率觀測中，天文學(xué)家清晰地分辨出了兩股截然不同的噴流。

早已被熟知的主噴流（Jet 1）穩(wěn)定地向東南方向延伸，而新發(fā)現(xiàn)的第二股噴流（Jet 2），則展現(xiàn)出了驚人的運(yùn)動(dòng)軌跡：它從主噴流的反方向一側(cè)誕生，隨后逆時(shí)針繞著主核心旋轉(zhuǎn)，最終與主噴流融合。

更值得關(guān)注的是，在2022年6月24日的觀測圖像中，這股噴流的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出弧形的類愛因斯坦環(huán)的特征，團(tuán)隊(duì)推測這是前景的主黑洞對Jet 2產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)所致，這一特殊結(jié)構(gòu)也為第二個(gè)大質(zhì)量天體的存在，提供了重要的觀測線索。

除了直接的成像證據(jù)，團(tuán)隊(duì)還從Mrk 501的射電光變曲線中，找到了兩個(gè)關(guān)鍵的周期性信號，從而進(jìn)一步印證了雙黑洞系統(tǒng)的存在。

第一個(gè)是長達(dá)7.4年的長周期，對應(yīng)著整個(gè)雙噴流系統(tǒng)的順時(shí)針進(jìn)動(dòng)，就像高速旋轉(zhuǎn)的陀螺出現(xiàn)的輕微搖擺，這正是兩個(gè)黑洞互相繞轉(zhuǎn)時(shí)，軌道平面進(jìn)動(dòng)帶來的典型特征。

第二個(gè)則是約121天的短周期，結(jié)合噴流結(jié)構(gòu)重復(fù)出現(xiàn)的146±22天周期信號，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這與兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的互相繞轉(zhuǎn)周期高度吻合，只是該短周期的光變信號確定性稍低，仍需更多觀測驗(yàn)證。

假設(shè)兩個(gè)黑洞質(zhì)量相當(dāng)，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)推算，這對黑洞的單個(gè)質(zhì)量都在1億到10億倍太陽質(zhì)量之間，彼此的間距僅有27到128個(gè)史瓦西半徑，換算成天文單位，最遠(yuǎn)也只有540倍日地距離。

對于兩個(gè)質(zhì)量達(dá)1億到10億倍太陽質(zhì)量的黑洞來說，這個(gè)距離近得超乎想象，相當(dāng)于兩個(gè)恒星級黑洞擠在太陽系的柯伊伯帶范圍內(nèi)，彼此飛速繞轉(zhuǎn)。

這個(gè)驚人的近距離，也讓它直擊了天體物理學(xué)界著名的最終秒差距難題（最終秒差距難題針對于超大質(zhì)量黑洞，恒星級黑洞彼此靠的很近因此沒有這個(gè)現(xiàn)象）。

根據(jù)現(xiàn)有理論，當(dāng)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞彼此靠近到1秒差距時(shí)，它們周圍的恒星和氣體已經(jīng)無法再繼續(xù)帶走軌道能量，黑洞的軌道收縮會就此停滯，雙黑洞將很難靠近從而無法合并，這也是天文學(xué)家一直難以找到超大質(zhì)量黑洞合并前兆的核心原因。

但Mrk 501的這對黑洞，間距僅有0.0026秒差距，早已突破了理論上的瓶頸，這意味著它們已經(jīng)進(jìn)入了合并前的最終旋進(jìn)階段。

團(tuán)隊(duì)也嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏挪榱似渌赡艿慕忉?，包括噴流的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性、不同頻率射電核的位置偏移、噴流內(nèi)激波運(yùn)動(dòng)、噴流基底的非均勻質(zhì)量加載等多種場景，但這些假設(shè)都無法完整解釋觀測到的雙噴流結(jié)構(gòu)、周期性光變和類愛因斯坦環(huán)現(xiàn)象。

只有雙超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)這個(gè)解釋，才是目前最符合所有觀測證據(jù)的結(jié)論。

盡管以現(xiàn)有的觀測能力，我們還無法直接分辨出兩個(gè)獨(dú)立的黑洞本體，事件視界望遠(yuǎn)鏡的最佳分辨率約為20微角秒，而這對黑洞的最大角尺寸僅為3.6微角秒。

不過未來的下一代黑洞探測望遠(yuǎn)鏡，有望直接拍到它們的真身。

更值得期待的是，這對黑洞合并產(chǎn)生的納赫茲低頻引力波，正好落在平方公里陣（SKA）和脈沖星計(jì)時(shí)陣列的探測范圍內(nèi)，未來我們很有可能直接捕捉到它們的引力波信號，甚至觀測到引力波頻率隨黑洞旋進(jìn)穩(wěn)步上升的過程，親眼見證兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞合并的宇宙級事件。

這個(gè)困擾了天文學(xué)家40年的宇宙謎題，終于迎來了最有力的答案。

而Mrk 501這個(gè)看似遙遠(yuǎn)的耀變體，也成為了人類理解超大質(zhì)量黑洞成長、合并之謎的關(guān)鍵窗口，讓我們離揭開宇宙中最極端天體的秘密，又近了一大步。