首次直接观测到特殊对中的次级超大质量黑洞

我们第一次看到超大质量黑洞产生的喷流随着绕其运行的较小黑洞短暂爆发而改变颜色。

OJ 287 中两个超大质量黑洞 (SMBH) 的插图，在一个罕见的时刻，较小的 SMBH 在穿过较大的 SMBH 的吸积盘时超越了它的伴星。

图片来源：NASA/JPL-Caltech/R。 Hurt (IPAC) 和 M. Mugrauer (AIU Jena)。

与几乎所有其他星系一样，OJ 287 星系的中心是一个超大质量黑洞，但这个黑洞不同寻常。它周围环绕着一个较小的黑洞，但仍然比我们银河系中的黑洞大得多。几十年来，天文学家一直怀疑这个星系的耀斑是这两个巨大天体相互作用的产物。直到现在，在两台太空望远镜的帮助下，他们才对较小的黑洞进行了直接观测。

位于星系中心的超大质量黑洞（SMBH）被吸积盘包围，吸积盘的材料缓慢地螺旋下降到被吞噬的程度。根据任何时候圆盘中材料的数量，这些物质可能会异常明亮，并且当圆盘受到干扰时可能会燃烧。

然而，通常我们不知道何时会发生这样的爆发，但图尔库大学的天文学家已经研究 OJ 287 40 年了，并预计 2021 年底会发生一次爆发。其他天文学家对这一预测有足够的信心，他们认为转移了凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 的主要任务，即寻找附近恒星周围的行星，并让它在 80 天内频繁检查 OJ 287。

当 TESS 和 Swift X 射线望远镜准时观测到耀斑时，这一决定得到了证实。连同第二年进行的但更快发表的观测结果，这些都证实了图尔库模型，揭示了两个巨大的黑洞在一场史诗般的舞蹈中。 

上一次耀斑发生在较小的黑洞穿过较大黑洞的吸积盘时，以产生亮度激增的方式扰乱吸积盘。然而，在这种情况下，额外的光线来自较小的超大黑洞本身周围的区域。

OJ 287 距离我们 40 亿光年，因此在大型业余望远镜中可见它的亮度令人惊讶。它也有奇怪行为的历史，自 19 世纪以来就吸引了天文学家的注意，当时他们不知道自己在看什么。现在，我们知道 OJ 287 是一个耀变体，一种类星体，其喷流直接指向地球，但它的意义远不止于此。

OJ 287 曾多次爆发。 40 年前，艾莫·西兰帕 (Aimo Sillanpää) 在攻读博士学位时构建了一种理论，即我们看到了两个超大质量黑洞，其中一个比另一个大得多。当然，较小的一颗绕着它较大的邻居运行，这个轨道的 12 年周期创造了西兰帕在耀斑之间追踪的周期之一。较小的超大质量黑洞的轨道与吸积盘平面成一定角度，因此它每个轨道都会经过两次，这种破坏导致额外的光涌出。

在任何情况下这都是一件令人着迷的事情，但这个系统的规模是惊人的。这个较小的黑洞的质量是太阳的 1.5 亿倍，是我们银河系中心的超大质量黑洞人马座 A* 的 40 倍。更大的天体质量约为180亿个太阳。

尽管较小的黑洞尺寸较大，但直接探测它通常会遇到障碍。毛里·瓦尔托宁教授在一份声明中说：“这两个黑洞在天空中彼此距离非常近，以至于人们无法单独看到它们，它们在我们的望远镜中合并成一个点。” “只有当我们清楚地看到来自每个黑洞的独立信号时，我们才能说我们实际上‘看到’了它们。 ”

除了 Sillanpää 追踪到的耀斑之外，两个超大黑洞的相互作用还引发了其他事件。 Pauli Pihajoki 博士在 2014 年攻读博士学位期间，进一步开发了该模型，以预测较小的超大黑洞将在 2021 年底捕获更丰富的气体并爆发，从而启发了 TESS 和 Swift 的观测。

格林尼治标准时间 11 月 12 日凌晨 2 点，TESS 观察到 OJ 287 变亮，并跟踪了它 12 个小时，然后它再次变暗。箱子上还装有雨燕和地面仪器，那些经历晴朗夜晚的人也可以观看耀斑。

Mauri Valtonen 教授领导了一个项目，分析所有这些仪器的数据，并将其与 Sillanpää 和 Pihajoki 的预测进行比较。

他们发现，在这 12 小时内，较小的超大黑洞比它较大的兄弟姐妹更亮，使系统呈现黄色而不是通常的红色。

瓦尔托宁在另一份声明中说：“因此，我们现在可以说我们第一次‘看到’了一个绕轨道运行的黑洞，就像我们可以说 TESS 看到了绕其他恒星运行的行星一样。”对于行星来说，直接获得较小黑洞的图像是极其困难的。事实上，由于 OJ 287 距离很远……我们的观测方法可能需要很长时间才能发展到足以捕捉到甚至是该黑洞的图像。更大的黑洞”

研究小组回顾了以前应该发生此类事件的日期，发现强大到足以探测到这种变化的望远镜从未在正确的时间进行观测。

除了研究 OJ 287 电磁波谱上的所有点外，图尔库大学团队还认为，两个如此靠近的巨大物体应该会产生纳赫兹范围内的引力波。这些波应该会导致宇宙中的脉冲星稍微改变它们的时间，研究小组希望我们很快就能足够精确地测量一些脉冲星，以发现这一点。 

研究结果在《天体物理学杂志快报》上公开获取。