在浩瀚宇宙中，星系碰撞与合并是常见现象，而位于星系中心的超大质量黑洞，也可能在碰撞后逐渐靠近，最终合并。近日，一个国际研究团队在Markarian 501（简称Mrk 501）星系中心发现了令人瞩目的迹象——一对轨道距离极近的超大质量黑洞，它们或许会在百年内合并，并产生可探测的引力波。
几乎每个大型星系中心都存在一个超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万到数十亿倍。然而，这些天体如何成长得如此巨大，一直是天文学界未解的重大问题。仅靠从周围吸积气体，速度过于缓慢，这表明与其他大质量黑洞的合并，在它们的成长过程中扮演着关键角色。星系碰撞在宇宙中频繁发生，使得它们中心的超大质量黑洞最终也可能合并。在合并前，两个黑洞会相互环绕，逐渐靠近。
此次，由波恩马克斯普朗克射电天文学研究所的Silke Britzen领导的国际团队，在Mrk 501中心发现了超大质量黑洞对的直接迹象。该团队通过追踪两束粒子喷流，锁定了这对黑洞的踪迹。观测结果显示，这是银河系中心这类系统的首张直接图像，也为第二个超大质量黑洞的存在提供了有力证据。Silke Britzen表示：“我们寻找它许久，没想到不仅能看到第二股喷流，还能追踪其运动。”
图形展示了星系Mrk 501中心区域在43吉赫兹频率下的三天不同观测结果。等高线表示发射强度，灰色圆圈标记了喷流内的明亮区域，这些区域是通过模型计算确定的。人们可以通过追踪这些区域的移动来跟踪喷流的运动。指向地球的已知喷流（喷流1，橙色指引线）清晰可见。新发现的第二喷流（喷流2，蓝色）在几周内改变了外观。两条粒子流都起源于星系核心彼此靠近的位置。与喷流1相关的黑洞（BH）位置用箭头标记。
第一束喷流朝向地球，异常明亮，天文学家已对其研究多年。第二束喷流指向不同方向，探测难度较大。在短短几周内，研究人员记录到第二束喷流出现重大变化。它从较大黑洞的后方出现，并以重复模式绕其逆时针运动。Silke Britzen解释道：“评估这些数据时，感觉就像在船上，整个喷流系统都在运动，双黑洞系统可以解释这一现象，其轨道平面在摇摆。”
在一次观测中，该系统的辐射传播路径极为扭曲，呈现出环状，即所谓的爱因斯坦环。最可能的解释是该系统与地球完美对齐，前景中的黑洞充当引力透镜，弯曲了来自其后方第二个喷流的光线。
通过研究喷流的长期变化和重复的亮度模式，研究人员得出结论，这两个黑洞每121天相互绕转一次。它们的距离大约是地日距离的250到540倍，对于质量在1亿到10亿个太阳之间的天体来说，这个距离非常小。根据它们的实际质量，这对黑洞可能会快速靠近，最快在100年内合并。
由于Mrk 501距离地球遥远，即便是最先进的仪器，也无法直接将这两个黑洞分辨为独立的天体。曾捕获首批黑洞图像的事件视界望远镜（EHT）也缺乏必要的分辨率，天文学家无法直接观测到这对黑洞正在收缩的轨道。不过，研究人员期望通过引力波探测到距离缩小的迹象。该系统应会产生极低频的引力波，可利用脉冲星计时阵列（PTAs）进行观测。
超大质量黑洞双星（SMBHBs）被认为是欧洲脉冲星计时阵列及其他合作团队探测到的引力波背景的主要解释。Mrk 501现已成为将脉冲星计时阵列（PTA）测量结果与特定超大质量黑洞双星联系起来的有力候选者之一。合著者赫克托·奥利瓦雷斯表示：“如果探测到引力波，我们甚至可能看到其频率随着这两个超大质量黑洞螺旋接近碰撞而稳步上升，这为观测超大质量黑洞合并的过程提供了难得的机会。”
