近日，国家天文台研究人员陆由俊、闫昌硕和合作者发现在最近的类星体Markarian 231中隐藏的超大质量双黑洞。该项研究成果已经发表在国际权威期刊《天体物理杂志》 （The Astrophysical Journal) 上（Yan, Lu, Dai, & Yu 2015, ApJ, 809, 117; DOI: 10.1088/0004-637X/809/2/117）。
观测表明绝大多数星系中心都存在超大质量黑洞。在标准冷暗物质宇宙模型中，大质量星系是由小质量星系合并形成的，星系合并就不可避免地产生超大质量双黑洞。同时，富含气体的星系合并会导致气体向中心流入触发核活动性并形成类星体。因此，理论预期在相当多的类星体中存在超大质量双黑洞。然而观测上有关超大质量双黑洞存在的证据仍很模糊、稀少。寻找、证认双黑洞对理解类星体和星系的形成演化以及进一步研究引力波和基本引力理论具有重要意义。
由国家天文台陆由俊和闫昌硕、美国俄克拉荷马大学戴新宇、北京大学科维理天文与天体物理研究所于清娟组成的研究团队分析了最近的类星体Markarian 231(图一)的连续谱。根据哈勃望远镜对Markarian 231核心紫外辐射的观测和凯克等望远镜的光学观测数据，他们发现Markarian 231“极端并且令人惊奇的性质”可以很好地用超大质量双黑洞的吸积来解释。
如果在该类星体中心只存在一个黑洞，那么由其附近炽热气体形成的吸积盘就会发射大量的紫外射线。然而，观测显示来自盘中心的紫外辐射骤然减弱（图二）。这一特征就为吸积盘上存在着一个巨大的绕中心黑洞旋转的面包圈洞结构（donut hole；图三）提供了有力观测证据。基于动力学模型，对此光学紫外连续谱的最好解释就是吸积盘中心是由两个相互绕转的超大质量黑洞构成，它们将吸积盘内区物质扫除殆尽。中心主黑洞的质量约为1.5亿个太阳质量，而在圈洞内绕主黑洞旋转的次黑洞的质量则有4百万个太阳质量。次黑洞携带有一小吸积盘并发射紫外辐射。它们的轨道周期为1.2年。双黑洞的共同旋绕会发射引力波、损失能量，并最终在几十万年后碰撞。
低质量的次黑洞是和Markarian 231并合的星系的遗迹。寄主星系的不对称性以及年轻的蓝色恒星的长长的潮汐尾，都表明它们近期经历过并合。并合的结果使得Markarian 231成为一个恒星形成率为银河系100倍的活跃星爆星系。落入中心的气体为黑洞“引擎”提供燃料，触发外流和气体湍流并进一步激发恒星诞生的大爆发。
这项发现不仅揭示了Markarian 231中存在密近超大质量双黑洞，它还表明很多类星体—由星系并合触发的活动星系的明亮核心——中都有可能存在相互绕转的双黑洞。该项研究为通过类星体的光学或紫外辐射缺失来系统搜寻这些超大质量双黑洞提供了样板。
8月27日，哈勃空间望远镜新闻中心宣布了这一发现(http：//hublesite.org/news/2015/31)。另外，该项研究也被美国天文学会的NOVA网站选为亮点工作推介(http://aasnova.org/2015/08/24/hidden-pair-of-supermassive-black-holes/)。登录http://www.nasa.gov和http://hublesite.org/news/2015/31获得更多关于该研究和哈勃望远镜的图片和信息。
此研究得到了国家基金委的面上项目和中国科学院先导“宇宙结构起源”专项的资助。
图一：Markarian 231的哈勃图像。(Credit：NASA,ESA,the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)- ESA/Hubble Collaboration,and A.Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University))
图二：Markarian 231的光学紫外辐射谱示意图。（Credit:NASA,ESA,and P.Jeffries (STScI)）
图三：超大质量双黑洞吸积系统艺术想像图。(Credit：NASA,ESA,and G. Bacon)
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