长期以来，天文学家一直在试图寻找一对由两个星系合并而产生的相互环绕的超大质量黑洞。虽然在理论上这的确会发生，但过去从来没有人真正观测到过。经历了十多年的探索，天文学家终于首次观测到，距离地球数亿光年外的两颗超大质量黑洞之间的轨道运动。
△ 两颗超大质量黑洞的艺术想象图，与科学家刚观测到的相似，在约7.5亿光年外相互环绕。（图片来源：Joshua Valenzuela/UNM）
这一结果被发表在《天文物理期刊》上，它的第一作者为美国新墨西哥大学(UNM)的物理与天文学系的一名研究生 Karishma Bansal。这篇论文的其他作者分别是 UNM 的 Greg Taylor 教授和斯坦福、美国气象天文台、和双子星天文台的同事，他们已经共同研究这两颗超大质量黑洞间的相互作用超过12年了。
在2016年初，来自激光干涉引力波天文台(LIGO)的团队宣布他们首次探测到引力波，证实了爱因斯坦在100年以前的预言。这些引力波是在哈勃时间内的两个恒星级黑洞(~30个太阳质量)碰撞产生的结果。但我们并不确切的知道是什么导致了超大质量黑洞的合并，从而在时空中产生涟漪。而这次的发现让天文学家有机会开始理解其中的机制，同时天文学家也能够更多地理解星系的演化以及黑洞在演化过程中扮演的角色。
超长基线阵列(VLBA)是一个位于新墨西哥州的索科罗的由10架射电望远镜组成的阵列，在它的帮助下，研究人员已经能够观察到由这些超大质量黑洞所发出的几个不同频率的射电信号。随着时间的推移，天文学家已基本能绘制出它们的运行轨迹，并确认其为一个双黑洞系统。换句话说，科学家们观测到两颗黑洞相互环绕运行。
△ 15GHz射电频率下绘制的 0402+379 星系VLBA图像，其中心有两个超大质量黑洞，如图中C1和C2所示。（图片来源：UNM）
Bansal说：“当 Taylor 博士给我这个数据时，我才刚刚开始学习如何将数据成像和理解它们。后来我了解到，有些相关数据可以追溯到2003年，所以我们绘制了那些数据，并发现它们是相互环绕的，这非常令人兴奋的。”
对于 Taylor 来说，这一发现不仅是他二十多年的工作成果，也是一枚卓尔不凡的勋章，因为这不是一项简单的任务，这些测量对精准度的要求十分高。这两个超大质量黑洞位于距地球约7.5亿光年远的名为 0402+379 的星系中，这是非常遥远的距离，但也是从地球对其进行观测的完美的距离。
这两个超大质量黑洞的总质量大约是我们太阳的150亿倍，即150亿个太阳质量。这令人难以置信的大质量黑洞意味着它们的轨道周期大约是24000年，所以当身处地球的科研团队对其进行长达十多年的观测的时候，他们甚至还没能看到它们运行轨道上的最轻微的曲率。Bansal表示，未来这两颗超大质量也将会合并，并辐射出引力波。
△ 15GHz射电频率下的 0402+379 星系VLBA伪色图像，其中心有两个超大质量黑洞，以具有双喷流的吸积盘表示。（图片来源：UNM）
研究团队中的一位来自斯坦福大学的物理教授 Roger Romani说：“想像一个蜗牛在最近才发现的一颗绕比邻星公转的类地行星上，它距离我们4.243光年远，每秒钟移动一厘米。这个角运动就是我们在这里需要分辨的。”
Taylor表示：“能在这12年的时间里，使用VLBA来实现足够高的分辨率和精准度的天体测量，从而看到实际的运行轨道，是一项真正的技术成就。能做到一点，是科技的巨大胜利。” 这次研究不仅是技术上的惊人的成就，我们也可以从中更多的了解我们的宇宙，研究星系的起源和演化。
天文学家 Bob Zavala 说：“联星系统的运行轨道为我们理解恒星提供了绝妙的机会。 现在我们可以使用类似的技术来理解超大质量黑洞及其寄主星系。”
△ 0402+379星系的中心区域的VLBA图像，标示出两个被记为C1和C2的核心，被确定为彼此环绕的一对超大质量黑洞。（图片来源：UNM / NRAO / AUI / NSF）
继续对这两个超大质量黑洞间的轨道和相互作用进行观测，也有助于我们更好地了解我们自己的星系在未来会如何演变。此刻，在星系中心同样拥有一个超大质量黑洞的仙女座星系，正在要和我们的银河系发生相撞的途中，这意味着 Bansal 和 Taylor 目前观察到的事件，有可能会在几十亿年后发生在我们的星系中。
Taylor解释说：“超大质量黑洞对周围的恒星以及星系的成长和演化都有很大影响。所以，对它们以及它们结合时会发生什么有更多的了解，对我们理解宇宙是至关重要的。”
未来，该团队奖会持续对这个双黑洞系统进行一次长约三到四年的观测，以确认其运动并得到其确切轨道。与此同时，他们希望这一次的发现能鼓励更多来自世界各地天文学家从事相关研究工作。
参考链接：
【1】https://phys.org/news/2017-06-groundbreaking-discovery-orbiting-supermassive-black.html
【2】K. Bansal et al, Constraining the Orbit of the Supermassive Black Hole Binary 0402+379, The Astrophysical Journal (2017). DOI: 10.3847/1538-4357/aa74e1
