The Loud Tail of the Supermassive Black Hole Binary Population: Multimessenger Candidates and Prospects for SKAO
通过利用群体模型分析 NANOGrav 15 年数据，本研究确定了 3C 66B 和 Mrk 501 是具有前景的单个引力波源，并预测平方公里阵列天文台将解析出数十个此类双星系统，从而有可能区分不同的黑洞硬化机制。
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在几乎每个星系的中心，都隐藏着一个引力怪兽：一个质量是太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞。当两个星系发生碰撞时，它们中心的黑洞可能会组成一对，在缓慢的宇宙华尔兹中相互绕转。随着它们螺旋式靠近，它们会使时空结构产生涟漪，发出引力波。这些波极其微弱，在经过时拉伸并挤压宇宙，但它们携带了关于这些巨大天体如何形成与合并的秘密历史。多年来，天文学家一直在倾听来自宇宙中数十亿对这类黑洞合并所产生的集体嗡鸣声，这种背景噪声被称为随机引力波背景。然而，最令人兴奋的可能性是，一些距离最近、质量最重的黑洞对发出的声音足够响亮，能够作为脱颖而出的独特“声音”从那层宇宙嗡鸣中升起。
由研究员 Juhan Raidal、Juan Urrutia、Ville Vaskonen 和 Hardi Veermäe 进行的一项新研究提出了一个具体的问题：我们已经通过望远镜观测到的那些超大质量黑洞对，实际上是否就是这个宇宙合唱团中最响亮的声音？该团队利用一个基于北美纳诺赫兹引力波天文台（NANOGrav）数据校准的黑洞种群模型，来预测应该有多少对黑洞足以足够响亮而脱颖而出。他们发现，答案很大程度上取决于这些黑洞对是如何靠近并最终合并的。如果这些黑洞对仅靠发射引力波来驱动彼此靠近，那么它们相对安静；但如果它们受到周围恒星和气体的推动，它们在较远距离停留的时间会缩短，而在近距离停留的时间会增加，从而使它们在可探测的频率范围内变得显著更响亮且数量更多。
研究人员将此模型应用于七个已知的候选名单——即望远镜观测到存在轨道黑洞迹象（如光信号或无线电信号的周期性变化）的星系。通过将这些特定候选者的预期响度与预测的背景噪声进行比较，他们发现其中两个候选者，3C 66B 和 Mrk 501，很可能是罕见的离群值。这两个系统位于分布的高振幅尾部，这意味着它们比平均水平的黑洞对要响亮得多。事实上，数据表明 3C 66B 的声音非常响亮，以至于它极有可能是其特定频率上唯一最响亮的声音，能从背景嗡鸣中清晰地脱颖而出。其他候选者虽然引人注目，但看起来更像是背景种群中的普通成员，只是融入了人群而非高声呼喊。
这种区别至关重要，因为它提供了一种测试黑洞如何合并的方法。研究表明，如果宇宙中充满了被环境“硬化”的黑洞对，那么我们应该预期发现更多个体的响亮声源，而不是仅由引力波驱动的情况。该模型预测，即将建成的平方公里阵列天文台（SKAO）——一个大型射电望远镜项目——将具备分辨出数十个此类独立双星系统的灵敏度。当团队考虑到由许多无法分离的微弱、未解析黑洞对所产生的混叠噪声时，他们仍然预测，如果环境效应很强，SKAO 将探测到大约三十个清晰的声源，而如果环境效应不强，这一数字仅为十二个左右。
在目前的候选者中，3C 66B 脱颖而出成为最有希望的目标。研究人员估计，无论其质量存在多少不确定性，该系统都能被 SKAO 稳健地探测到，其信号强度足以被识别。Mrk 501 系统也处于探测的临界点附近，而其他候选者则低于这一限度。研究结论指出，发现这些响亮的个体声源不仅能证实它们的存在，还能为驱动黑洞靠近的机制提供直接的探测手段。如果 SKAO 证实 3 C 66B 及类似的系统确实是最响亮的离群值，这将有力地支持环境相互作用在黑洞合并最后阶段起着关键作用的观点，从而为我们描绘出更清晰的宇宙剧烈演化史。
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