2023年2月23日，包括北京大学天文学系和科维理天文与天体物理研究所刘富坤教授在内的一个国际研究小组，基于迄今为止最密集和最长的射电-高能观测，发表了最新的关于活动星系OJ 287的重要结果。科学家们能够使用包括Effelsberg射电望远镜和Neil Gehrels Swift天文台在内的多种观测工具来检验双黑洞模型的关键预言。他们独立测定了系统的黑洞质量，并估计了黑洞周围吸积盘中的物质总量。
结果表明，OJ 287不再需要一个异常大质量（超过100亿太阳质量）的黑洞。相反，该结果支持一个较小主黑洞质量（大约1亿个太阳质量）的模型，这与20年前北京大学刘富坤教授和吴学兵教授研究得到的结果一致。几个悬而未决的谜团，包括最近一次OJ 287大爆发的明显缺失（现已证认），以及被广泛讨论的在主爆发期间的发射机制，都可以通过这种基于较小质量黑洞的方式来解释。此外，他们也得到了追踪耀变体喷流发射区附近物理过程的独立结果。
这些发现对于超大质量双黑洞系统及其演化的理论建模，对于理解超大质量黑洞附近的吸积和喷流发射物理，对于未来对该系统的脉冲星计时与空基引力波探测，以及利用事件视界望远镜EHT或未来的SKA进行直接空间分辨观测具有重大意义。这些研究成果2月23日发表在英国《皇家天文学会月刊快报》和美国《天体物理学杂志》的两篇论文中。
图1：左图展示了用SWIFT拍摄的OJ 287及其环境的深紫外图像。这是迄今为止对该部分天区拍摄的最深的紫外图像之一，联合了560次单次曝光。该视场内最亮的光源是OJ 287。黑洞区域本身不能在UV图像中分辨。右画描绘了艺术家对OJ 287中心的设想，包括吸积盘、喷流和围绕1亿个太阳质量的主黑洞绕转的次黑洞。
©S.Komossa等人；NASA/JPL-Caltech
耀变体是具有高能的、长寿命的相对论性粒子喷流的星系，这些喷流是在紧邻其中心超大质量黑洞的区域发射的。
当两个星系碰撞且并合时，超大质量双黑洞就形成了。这些双黑洞引起了科学家极大的兴趣，因为它们在星系演化和超大质量黑洞的成长中起着关键作用。此外，正在并合的双黑洞是宇宙中最大的引力波源。未来的欧空局旗舰项目LISA（激光干涉空间探测器）旨在直接探测引力波谱中的这种引力波。寻找超大质量双黑洞系统的工作目前正在全面展开。
OJ 287是一颗位于巨蟹座方向的明亮的耀变体，距离我们约50亿光年。它是中心拥有致密的超大质量双黑洞的最佳候选星系之一。OJ 287具有一个显著特性：每隔11到12年会发生一次异常的辐射爆发。其中一些爆发非常明亮，会让它暂时成为天空中最亮的光源。这一反复爆发特性吸引了众多研究者的关注，并且在文献中提出并讨论了几种不同的双黑洞模型。
当双黑洞系统中的次黑洞围绕另一个质量更大的主黑洞运行时，它会通过影响主黑洞的喷流或吸积盘，以半个系统周期的频率对外释放出辐射信号。然而到目前为止，OJ 287的黑洞质量还没能被直接独立地测定。同时，由于缺少系统性的对多频段的辐射观测，我们还没有办法对任何一个模型进行严格的检验。 现在由于MOMO（“对OJ 287的多波段观测和建模”）项目，使得我们第一次可以对伽马射线、X射线、紫外、光学和射电波段进行同时观测。该项目是对于所有涉及X射线的耀变体中频度最大、持续时间最长的多波段观测项目之一，也是有史以来对OJ 287频度最大的观测。
这两篇研究文章的第一作者，马克斯-普朗克射电天文研究所（MPIFR）的Stefanie Komossa说：“OJ 287为我们提供了一个极好的实验环境，用于研究在一或两个超大质量黑洞附近这样最极端的天体物理环境中占主导地位的吸积盘和物质喷流所涉及的物理过程。因此，我们发起了MOMO项目，对OJ 287从射电到高能的超过14个波段进行持续数年的高频度观测， 并用多个地面和空间设施对其异常状态进行后续的专门跟踪。至今我们已经采集并分析了数千个数据， 使得OJ 287成为有史以来在紫外，X射线和射电波段联合观测最好的耀变体之一。”来自MPIFR的共同作者Alex Kraus补充说到：“Effelsberg射电望远镜和Swift太空任务的观测在研究中发挥了核心作用.”这项研究主要使用了Effelsberg望远镜提供的射电观测数据，以及Neil Gehrels Swift天文台提供的同时段的紫外线、光学和X射线数据。此外，来自费米伽马射线空间望远镜的高能伽马射线的观测数据和来自夏威夷莫纳基亚的亚毫米波阵列望远镜（SMA）的射电数据也被纳入分析。
OJ 287本身的耀变体属性决定了它的电磁辐射由喷流主导。而来自吸积盘的辐射（落入黑洞附近的物质的辐射）由于被喷流的辐射所掩盖，因而几乎不可能被观测到，就像我们直视汽车前灯的情况一样。然而，由于大量的MOMO观测密集地覆盖了OJ 287的电磁辐射（SWIFT几乎每隔一天就进行一次新的观测）， 一种名为“深度衰落”的现象被捕捉到，使研究人员能够在喷流辐射迅速衰弱的时候，对来自吸积盘的辐射进行观测限制。结果表明，黑洞周围的物质盘辐射至少比以前所认为的暗10倍，其光度估计不超过2×10^46erg/s，相当于太阳光度的5万亿倍（5×10^12L☉）。
OJ 287的主黑洞的质量首次从束缚于黑洞的气体物质的运动中推导出来，其质量相当于太阳质量的1亿倍。“这个结果非常重要，因为质量是研究这个双黑洞系统演化的模型中的一个关键参数，而这个模型涉及到：黑洞之间的距离有多远，它们合并的速度有多快，它们的引力波信号有多强。”美国北肯塔基大学的Dirk Grupe副教授评论道，他是这两项研究的共同作者。
“新的结果表明，不再需要OJ 287中有一个异常巨大的质量超过100亿个太阳质量的黑洞，也不需要一个特别明亮的盘将物质吸积到黑洞上。”马克思·普朗克射电天文研究所的Thomas Krichbaum研究员补充说，他是这篇《天体物理学杂志》论文的共同作者。结果更倾向于质量更适中的双黑洞模型。
这项研究还解决了两个古老的谜题：OJ 287著名的最近一次明亮爆发的明显缺失的缘由，以及爆发背后的辐射机制。MOMO的观测可以精确地确定最近一次爆发的时间。它并没有像“巨大质量黑洞”模型预测的那样发生在2022年10月，而是发生在MOMO集中观测的2016-2017年。此外，用Effelsberg 100米望远镜进行的射电观测表明，这些爆发本质上是非热的，这暗示着喷流过程是这些爆发的动力来源。
MOMO的结果影响了正在进行的和未来使用主要大型天文台（如事件视界望远镜EHT和未来的SKA天文台）对其他超大质量双黑洞系统的搜索策略。它们可以实现对OJ 287和类似系统中的双黑洞源的直接射电探测和空间分辨，以及在未来探测来自这些系统的引力波。由于推导出的黑洞质量为1亿个太阳质量，OJ 287（合并后）将不再作为脉冲星计时阵列(PTA)的观测目标，而是在未来空间引力波探测的范围内。
Stefanie Komossa总结道：“我们的研究结果对于超大质量黑洞双星系统及其演化的理论建模，对于理解超大质量黑洞附近物质的吸积和喷射的物理机制，以及对于一般双星系统的电磁辐射认证都具有重要意义。”
图2.用于观测的望远镜，包括两个射电望远镜：德国的Effelsberg 100米天线和夏威夷的亚毫米阵列，此外还有两个卫星观测站：伽马射线波段的Fermi观测站和光学、紫外和X射线波段的Neil Gehrels Swift观测站。
©NASA（Fermi&Swift卫星图像），N.Junkes（Effelsberg），J.Weintroub（SMA）。
原始文章：
1.Absenceof the predicted 2022 October outburst of OJ 287 and implications for binary SMBH scenarios, by S. Komossa et al., in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, February 23, 2023.
(https://academic.oup.com/mnrasl/advance-article/doi/10.1093/mnrasl/slad016/7044769)
DOI: 10.1093/mnrasl/slad016
2.Multifrequencyradio variability of the blazar OJ 287 from 2015–2022, absence of predicted 2021 precursor-flare activity, and a new binary interpretation of the 2016/2017 outburst, by S. Komossa et al., in: Astrophysical Journal, February 23, 2023.
(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acaf71)
DOI: 10.3847/1538-4357/acaf71
3.Black hole mass and binary model for BL Lac object OJ 287, by Fukun Liu and Xuebing Wu, in Astronomy and Astrophysics: Letters, Vol.388, p.L48-L52 (June 2002)
(https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002A%26A...388L..48L/abstract)
DOI: 10.1051/0004-6361:20020566
同步发表的新闻稿可在以下网址找到：
https：//www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2023/4
