90亿光年外，两个巨大的黑洞携手共舞

锁定在 90 亿光年外的史诗般的宇宙华尔兹中，两个超大质量黑洞似乎每两年围绕彼此运行一次。这两个巨大的天体的质量都比我们的太阳大几亿倍，它们之间的距离大约是太阳和冥王星之间距离的 50 倍。当这对超大质量黑洞在大约 10000 年后合并时，预计巨大的碰撞将震动空间和时间本身，从而在宇宙中发送引力波。

这幅艺术想象图展示了位于名为 PKS 2131-021 的类星体中心的两个候选超大质量黑洞。在这个系统视图中，可以看到来自前景黑洞（右）的引力扭曲了它的伴星的光，伴星有一个强大的喷流。每个黑洞的质量大约是太阳质量的一亿倍，前景中的黑洞质量略小。（来源：加州理工学院）

一个由美国加州理工学院领导的天文学家团队发现了这种情况发生在一个被称为类星体的高能物体内的证据。类星体是星系的活跃核心，在其中，一个超大质量黑洞正在从围绕它的圆盘中吸取物质。在一些类星体中，超大质量黑洞会产生一股以接近光速的喷射流。在新研究中观察到的类星体 PKS 2131-021 属于类星体的一个子类，称为耀变体，其中喷流指向地球。天文学家已经知道类星体可能拥有两个绕轨道运行的超大质量黑洞，但事实证明很难找到这方面的直接证据。

研究人员在《天体物理学杂志快报》上报告称，PKS 2131-021 现在是第二个已知的可能的在合并过程中的两个超大质量黑洞。另外一对这样的超大质量黑洞，在一个名为 OJ 287 的类星体中，它们相互绕行的距离更远，每九年绕一圈；而 PKS 2131-021 完成一个轨道周期需要两年时间。

天文学家对 PKS 2131-021 进行了超过 45 年的无线电观测。根据这项研究，PKS 2131-021 内的两个黑洞之一发出的强大喷流由于这对黑洞的轨道运动而前后移动。这会导致类星体的射电光亮度发生周期性变化。五个不同的天文台记录了这些振荡，包括加州理工学院的欧文斯谷射电天文台 (OVRO)、密歇根大学射电天文台 (UMRAO)、麻省理工学院的海斯塔克天文台、国家射电天文台 (NRAO)、芬兰的 Metshovi 射电天文台以及美国宇航局的 广域红外线巡天探测卫星（WISE）。

无线电数据的组合产生了几乎完美的正弦光曲线，这与以前从类星体观察到的任何东西都不同。

该研究的主要作者桑德拉·奥尼尔（ Sandra O'Neill）说：“当我们意识到最近检测到的光变曲线的波峰和波谷与 1975 年至 1983 年间观察到的波峰和波谷相匹配时，我们知道正在发生一些非常特别的事情。”

此处绘制了三组跨越 45 年的类星体 PKS 2131-02 的射电观测，蓝色为来自欧文斯谷射电天文台 (OVRO) 的数据；棕色是密歇根大学射电天文台 (UMRAO) 的数据；绿色为海斯塔克天文台的数据。观察结果匹配一个简单的正弦波，以蓝色表示。天文学家认为，正弦波模式是由位于类星体中心的两个超大质量黑洞每两年围绕彼此运行一次造成的。（来源：加州理工学院）

大多数（如果不是全部）星系的核心都拥有巨大的黑洞，包括我们自己的银河系。当星系合并时，它们的黑洞会“下沉”到新形成的星系的中间，最终结合在一起形成一个更大的黑洞。随着黑洞彼此盘旋，它们越来越扰乱时空结构，发出引力波，这是阿尔伯特·爱因斯坦在 100 多年前首次预言的。

美国国家科学基金会的 LIGO（激光干涉引力波天文台）由加州理工学院和麻省理工学院联合管理，可探测到质量为太阳质量数十倍的黑洞对的引力波。然而，星系中心的超大质量黑洞的质量是太阳的数百万到数十亿倍，并且发出的引力波频率低于 LIGO 能探测到的引力波频率。

未来，更精确的射电望远镜或许可以探测到来自这种重量的超大质量黑洞的引力波。而 PKS 2131-021 提供了最有希望的目标。

两个超大质量黑洞相互环绕。质量更大的黑洞，其质量是太阳质量的数亿倍，它正在喷射出一股喷流，随着这两个黑洞的相互环绕，它的表观亮度会发生变化。天文学家在分析了 45 年的无线电观测结果后，在这个名为 PKS 2131-021 的类星体中发现了这种情况的证据，这些观测表明该系统会周期性地变暗和变亮。观察到的周期性模式被认为是由射流的轨道运动引起的。（来源：加州理工学院）

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