天文學家發現了一對罕見的積極進食的超大質量黑洞即類星體，彼此相距僅1萬光年，正處於碰撞的邊緣。這個獨特的系統J0749+2255是在宇宙30億年的時候在合併的星系中發現的。這一發現為超大質量黑洞的出現和早期宇宙中的合併頻率提供了深入的了解。

研究人員使用一套空間和地面望遠鏡，包括夏威夷的兩個Maunakea天文台–WM Keck天文台和Gemini North–發現這對黑洞嵌在兩個星系中，這兩個星系在宇宙發展僅僅30億年的時候合併了。

這項研究由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校領導，發表在2023年4月5日的《自然》雜誌上。

找到這樣一個系統是很困難的，因為當兩個黑洞如此接近時，要單獨區分它們是個挑戰。但是在這個被稱為J0749+2255的特殊系統中，兩個黑洞都在瘋狂進食，吞噬氣體和塵埃，這些氣體和塵埃在如此高的溫度下被加熱，這對黑洞產生了一個巨大的煙花表演。這種活動被稱為類星體，這是一種當黑洞在大吃大喝時在整個電磁波譜中發射出大量光線的現象。

J0749+2255是非常不尋常的，因為該系統有不是一個，而是兩個同時活動的類星體，而且距離足夠近，最終會合併。

“在宇宙的這個早期階段，我們並沒有看到很多雙類星體。這就是為什麼這一發現如此令人興奮，”這項研究的主要作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究生Yu-Ching Chen說。

哈勃太空望遠鏡拍攝的一對類星體的照片，這些類星體在宇宙只有30億年的時候就已經存在。它們被嵌入到一對碰撞的星系中。這些類星體之間的距離還不到一個星系的大小。類星體由貪婪的超大質量黑洞提供動力，當它們吞噬氣體、塵埃和在其引力範圍內的任何其他東西時，它們會爆發出兇猛的能量噴泉。這些黑洞最終將合併。資料來源：美國宇航局、歐空局、陳玉清（UIUC）、黃翔志（IAS）、納迪亞-扎卡姆斯卡（JHU）、沈悅（UIUC）。

歐空局（European Space Agency）的蓋亞（Gaia）空間觀測站首先探測到了這個雙類星體，捕捉到的圖像表明在年輕的宇宙中有兩個緊密排列的光信標。陳和他的團隊隨後使用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡來驗證這些光點實際上來自一對超大質量黑洞。

隨後進行了多波長觀測；利用凱克天文台的第二代近紅外相機（NIRC2）與其自適應光學系統配對，以及美國宇航局錢德拉X射線天文台的雙子座北區和新墨西哥州的甚大陣射電望遠鏡網絡，研究人員確認了雙類星體不是由引力透鏡產生的同一個類星體的兩個圖像。

“確認過程並不容易，我們需要一個涵蓋從X射線到射電光譜的望遠鏡陣列，以最終確認這個系統確實是一對類星體，而不是，比如說，兩個引力透鏡類星體的圖像，”共同作者、伊利諾伊大學的天文學家Yue Shen說。

由於望遠鏡窺視的是遙遠的過去，這種雙類星體已經不存在了。在中間的100億年裡，它們的宿主星系很可能已經沉澱為一個巨大的橢圓星系，就像今天在本地宇宙中看到的那些。而這些類星體已經合併成了一個巨大的、位於其中心的超大質量黑洞。

附近的巨型橢圓星系M87有一個巨大的黑洞，重量是我們太陽質量的65億倍。也許這個黑洞是在過去幾十億年裡從一個或多個星系的合併中成長起來的。

越來越多的證據表明，大型星係是通過合併建立起來的。較小的系統聚集在一起，形成更大的系統和越來越大的結構。在這個過程中，應該有成對的超大質量黑洞在合併的星系中形成。

了解黑洞的祖先群體將最終告訴我們早期宇宙中超大質量黑洞的出現，以及這些合併可能有多頻繁。

“我們開始揭開早期二元類星體群體的這個冰山一角，”共同作者、伊利諾伊大學香檳分校的劉昕說。”這就是這項研究的獨特之處。它實際上是在告訴我們這個群體的存在，而且現在我們有一種方法來識別相隔不到一個星系大小的雙類星體。”