摘要：天体物理学迎来历史性突破。芬兰图尔库大学领导的国际研究团队成功获得了两个超大质量黑洞相互环绕的首张射电图像，这一发表在《天体物理学杂志》上的重大发现为长达四十年的理论争议画下句号。位于类星体OJ287中心的这对黑洞，通过射电望远镜网络的超高分辨率观测，终于从理
信息来源：https://phys.org/news/2025-10-image-black-holes-circling-captured.html
天体物理学迎来历史性突破。芬兰图尔库大学领导的国际研究团队成功获得了两个超大质量黑洞相互环绕的首张射电图像，这一发表在《天体物理学杂志》上的重大发现为长达四十年的理论争议画下句号。位于类星体OJ287中心的这对黑洞，通过射电望远镜网络的超高分辨率观测，终于从理论预测转变为可观测的现实。这不仅是人类首次直接观测到双黑洞系统的轨道运动，更揭示了一种前所未见的"摇尾"喷流现象，为理解极端引力环境下的物理过程开辟了全新视角。
类星体OJ287距离地球约35亿光年，是宇宙中最明亮的天体之一，其亮度足以让业余天文爱好者用普通望远镜观测到。然而，这个看似普通的光点背后隐藏着宇宙中最极端的物理现象：两个超大质量黑洞在12年周期内的复杂轨道舞蹈。主黑洞质量约为180亿倍太阳质量，而较小的伴星黑洞质量约为1.5亿倍太阳质量，它们之间的引力相互作用产生了独特的周期性光变模式。
从偶然发现到科学突破的漫长征程
类星体 OJ287 中两个黑洞相互绕行。左边是一张由 Lankeswar Dey 计算的理论图，显示了拍摄照片时黑洞和从黑洞发出的喷流的位置。右边是包括 RadioAstron 卫星在内的系统拍摄的图像的一部分（J.L. Gomez 等人，2022 年），其中两个较低的亮点是来自两个黑洞的无线电发射，最顶点是较小黑洞的喷流。这在左侧图上显示为虚线，而黑洞显示为点。图片来源：arXiv （2025）。DOI：10.48550/arxiv.2510.06744
OJ287的科学故事始于19世纪的偶然发现。当时的天文学家在拍摄其他天体时，无意中将这个遥远的类星体记录在玻璃底片上。在那个黑洞概念尚未诞生、类星体现象完全未知的年代，没有人能想象这些底片中记录着宇宙中最壮观的引力现象之一。直到20世纪80年代，当时还是图尔库大学硕士研究生的艾莫·西兰帕通过对历史观测数据的仔细分析，首次注意到OJ287存在约12年的周期性光变模式。
这一发现开启了长达四十年的科学探索历程。西兰帕大胆提出了双黑洞轨道运动的理论模型，认为较小黑洞的椭圆轨道会周期性地穿越主黑洞的吸积盘，每次穿越都会引发巨大的能量释放，从而产生观测到的光变现象。这一理论在当时是极具争议性的，因为双黑洞系统的存在本身就是一个尚未得到直接证实的假说。
随着观测技术的进步和理论模型的不断完善，越来越多的证据支持双黑洞假说。美国宇航局的TESS卫星通过高精度光度测量，成功探测到了来自两个黑洞的光学信号，但由于光学观测的分辨率限制，两个黑洞仍然无法在图像中分离。要实现真正的空间分辨，需要比光学观测高出10万倍的角分辨率，这只有射电干涉测量技术能够实现。
四年前，来自印度孟买的博士研究员兰克斯瓦尔·戴伊在图尔库大学工作期间，通过精密的理论计算最终解开了这对黑洞的轨道之谜。他的计算不仅精确预测了两个黑洞在任意时刻的相对位置，还为后续的射电观测提供了关键的理论指导。这项工作为验证双黑洞理论提供了可检验的预测，使得理论从定性描述转向了定量验证。
射电天文学的技术革命
OJ287 拟议的天体物理系统示例。图片来源：arXiv （2025）。DOI：10.48550/arxiv.2510.06744
此次成功成像的关键在于射电干涉测量技术的突破性应用。研究团队使用了包括RadioAstron卫星在内的射电望远镜网络，这一空间射电望远镜系统将观测基线延伸至月球轨道的一半距离，达到了前所未有的角分辨率。这种超长基线干涉测量技术使得天文学家能够分辨出相距仅数百个引力半径的两个黑洞。
RadioAstron卫星的独特价值在于其轨道特性。与地面射电望远镜不同，卫星可以达到远超地球直径的观测基线长度，从而获得极高的角分辨率。在OJ287的观测中，这一技术优势得到了充分体现，使得原本在光学观测中无法分离的双黑洞系统首次在射电波段实现了空间分辨。
然而，射电观测面临的挑战同样巨大。黑洞本身不发射任何电磁辐射，只能通过其周围的高能粒子喷流和吸积盘的辐射来间接探测。在OJ287系统中，两个黑洞都产生了强烈的射电喷流，这些喷流成为了识别黑洞位置的关键标记。通过分析喷流的起始点和方向，天文学家能够精确确定黑洞的位置和运动状态。
研究负责人毛里·瓦尔托宁教授解释说："我们第一次设法获得了两个黑洞相互盘旋的图像。在图像中，黑洞是通过它们发出的强烈粒子射流来识别的。黑洞本身是完全黑色的，但它们可以通过这些粒子射流或洞周围的发光气体来检测。"
摇尾喷流的惊人发现
除了确认双黑洞系统的存在，这次观测还带来了一个意外的科学发现：研究人员观测到了一种前所未见的"摇尾"喷流现象。来自较小黑洞的射电喷流表现出明显的弯曲和扭转特征，就像旋转的花园软管喷出的水流一样。
这种独特的喷流形态源于复杂的轨道动力学效应。较小的黑洞在椭圆轨道上高速运动，其喷流方向会随着黑洞的轨道位置和速度变化而持续改变。当黑洞接近轨道近心点时，巨大的轨道速度变化导致喷流方向发生急剧偏转，形成了观测到的弯曲结构。
更令人兴奋的是，这种喷流的弯曲程度和方向变化为验证广义相对论在极端引力环境下的预测提供了独特的机会。在双黑洞系统中，时空的扭曲达到了极端程度，各种相对论效应都会对喷流的传播产生显著影响。通过长期监测喷流形态的变化，天文学家有望检验广义相对论的一系列预测，包括引力波辐射导致的轨道衰减、参考系拖拽效应等。
瓦尔托宁指出："在未来几年，当较小的黑洞改变其运动速度和方向时，这种喷流应该会向不同的方向扭曲。"这种可预测的变化模式为持续验证理论模型提供了宝贵的机会。
引力波时代的协同观测前景
OJ287双黑洞系统的确认对于引力波天文学具有重要意义。虽然当前的引力波探测器主要针对恒星质量黑洞的并合事件，但像OJ287这样的超大质量双黑洞系统在数百万年的时间尺度上也会产生低频引力波。未来的空间引力波探测器，如欧洲的LISA任务，有望探测到这类系统产生的引力波信号。
电磁波和引力波的协同观测将开启多信使天文学的新纪元。通过结合射电观测获得的轨道参数和引力波探测获得的动力学信息，科学家们将能够以前所未有的精度研究极端引力环境下的物理过程。这种多波段、多信使的观测策略不仅能够验证广义相对论的预测，还能够探索可能存在的新物理现象。
此外，OJ287这样的系统还为理解星系演化和超大质量黑洞增长机制提供了重要线索。双黑洞系统通常形成于星系并合过程，通过研究这些系统的特性和演化，天文学家能够更好地理解宇宙结构形成的历史。
尽管RadioAstron卫星已经结束使命，但地面射电望远镜网络的持续改进仍将为OJ287的后续观测提供支持。事件视界望远镜等下一代射电干涉阵列的发展，将为这类极端天体系统的研究带来更多机遇。随着观测技术的不断进步和理论模型的日趋完善，人类对宇宙中这些最极端现象的理解将达到新的深度。
来源：人工智能学家
