Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một hệ nhị phân bị nghi ngờ là chặt chẽ bao gồm hai lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của thiên hà đang hoạt động Markarian 501 (gọi tắt là Mrk 501). Nghiên cứu liên quan được thực hiện bởi Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck ở Đức và đã được chấp nhận trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.

Các quan sát vô tuyến có độ phân giải cao trong thời gian dài cho thấy không chỉ có một dòng hạt mạnh đã được biết đến từ lâu trong lõi thiên hà (một dòng hạt năng lượng cao được phóng ra ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng), mà còn có một dòng hạt thứ hai ẩn giấu, cung cấp bằng chứng trực tiếp cho một cặp lỗ đen siêu lớn ở cực kỳ gần và quay quanh nhau.

Nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng có một khối lượng nằm ở trung tâm của hầu hết mọi thiên hà lớn. Các lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần so với mặt trời nhưng rất khó để phát triển đến "kích thước" như vậy trong độ tuổi của vũ trụ chỉ bằng cách tích tụ khí xung quanh. Vì vậy, sự hợp nhất giữa các lỗ đen được coi là một trong những cách quan trọng để “vỗ béo”. Việc quan sát thấy sự va chạm giữa các thiên hà không phải là hiếm, và người ta cũng suy đoán rằng các lỗ đen ở trung tâm của các thiên hà này sẽ dần dần di chuyển lại gần hơn dưới tác động của lực hấp dẫn và cuối cùng hợp nhất lại. Tuy nhiên, các mô hình lý thuyết vẫn chưa hoàn hảo trong việc mô tả "giai đoạn cuối cùng" này và hệ thống "lỗ đen nhị phân đóng" chưa bao giờ được xác nhận một cách đáng tin cậy bằng hình ảnh trước đây. Quan sát Mrk 501 này cung cấp một mảnh ghép quan trọng cho bức tranh vật lý thiên văn lâu đời này.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích có hệ thống dữ liệu quan sát vùng lõi Mrk 501 ở các tần số vô tuyến khác nhau, kéo dài khoảng 23 năm. Dữ liệu đến từ mạng lưới kính thiên văn vô tuyến phân bổ trên khắp thế giới, tạo thành độ phân giải góc cực cao. Kết quả cho thấy ngoài dòng tia đã biết hướng về Trái đất và đặc biệt sáng, còn có dòng tia thứ hai ẩn trong dữ liệu. Hướng đi của nó rõ ràng là khác với chiếc máy bay phản lực đầu tiên và nó cho thấy những thay đổi đáng kể về vị trí chỉ sau vài tuần. Với việc so sánh dữ liệu nhiều kỷ nguyên, các nhà thiên văn học không chỉ "nhìn thấy" luồng phản lực thứ hai mà còn theo dõi quỹ đạo của nó, được hiểu là hiệu ứng chiếu quỹ đạo của nó xung quanh một lỗ đen khác.

Các bản ghi quan sát cho thấy dòng tia thứ hai dường như được phát ra từ phía sau lỗ đen nặng hơn đã biết và quay quanh theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, cho thấy sự thay đổi dịch chuyển định kỳ trong các quan sát liên tục, như thể toàn bộ hệ thống tia đang "lắc lư". Nhóm nghiên cứu giải thích hiện tượng này là sự dao động của mặt phẳng quỹ đạo của hệ lỗ đen đôi: hai lỗ đen quay quanh nhau, khiến góc giữa hướng của tia và đường ngắm của chúng ta liên tục thay đổi. Trong một quan sát vào tháng 6 năm 2022, bức xạ từ hệ thống phản lực tình cờ đến Trái Đất qua một đường đi cực kỳ "lệch". Dưới tác dụng uốn cong của lực hấp dẫn mạnh của lỗ đen tiền cảnh đã biết, ánh sáng từ tia phía sau bị “kéo” thành một cấu trúc gần giống hình chiếc nhẫn, cái gọi là “vòng Einstein”. Điều này hỗ trợ mạnh mẽ cho lời giải thích rằng "lỗ đen ở tiền cảnh hoạt động như một thấu kính hấp dẫn, và luồng tia ở hậu cảnh đến từ lỗ đen thứ hai".

Bằng cách phân tích tính chu kỳ của sự thay đổi độ sáng tia và tiến hóa vị trí, nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng phải mất khoảng 121 ngày để hai lỗ đen quay quanh nhau. Khoảng cách giữa chúng được ước tính vào khoảng 250 đến 540 lần khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời - đây vẫn là một quy mô rất lớn đối với các ngôi sao thông thường, nhưng đối với các lỗ đen siêu lớn có khối lượng từ 100 triệu đến 1 tỷ lần khối lượng Mặt trời thì khoảng cách này đã khá “chặt chẽ”. Dựa trên phạm vi khối lượng và các thông số quỹ đạo, hệ thống lỗ đen đôi này cuối cùng có thể hợp nhất do mất năng lượng quỹ đạo do bức xạ hấp dẫn trong khoảng 100 năm nữa. Thang thời gian này được coi là “sắp xảy ra” trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.

Điều đáng nói là mặc dù bản thân hai lỗ đen này cực kỳ lớn nhưng do Mrk 501 ở rất xa trái đất nên ngay cả Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT), nơi đã chụp ảnh cấu trúc vòng của "chân trời sự kiện" của lỗ đen, hiện không thể phân giải trực tiếp chúng thành hai thiên thể độc lập. Khi bán kính quỹ đạo ngày càng co lại, “vòng quay cuối cùng” của hệ thống lỗ đen đôi vẫn sẽ khó nhìn thấy trực tiếp bằng hình ảnh, nhưng các nhà khoa học hy vọng có thể nắm bắt được những bước cuối cùng của nó thông qua một “tín hiệu” khác – bức xạ sóng hấp dẫn ở dải tần số cực thấp. Những tín hiệu này dự kiến ​​sẽ được phát hiện thông qua phương pháp quan sát “Mảng thời gian xung” (PTA), phương pháp “nghe” nền sóng hấp dẫn quy mô lớn của vũ trụ bằng cách theo dõi chính xác các nhiễu loạn vi mô định kỳ của các xung mili giây.

Trên thực tế, các cặp lỗ đen siêu lớn từ lâu đã là một trong những nguồn ứng cử viên chính để giải thích tín hiệu "nền sóng hấp dẫn" được báo cáo bởi các đội như Mảng thời gian Pulsar Châu Âu vào năm 2023. Mrk 501 hiện đã trở thành một "phòng thí nghiệm mục tiêu" rất có giá trị, dự kiến sẽ trực tiếp sử dụng tương ứng với các tín hiệu sóng hấp dẫn tần số thấp nhất định được đo bằng PTA với các hệ thống lỗ đen nhị phân cụ thể, mang lại cho "nền" thống kê trước đó một nhận dạng rõ ràng về các thiên thể. Các cộng tác viên nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu sóng hấp dẫn có thể được bắt thành công theo hướng của nguồn này trong tương lai, họ không chỉ được kỳ vọng sẽ thấy tần số của chúng tăng dần theo thời gian, tương ứng với quá trình các lỗ đen chuyển động xoắn ốc gần hơn, mà họ còn có thể lần đầu tiên có được các bản ghi tiến hóa gần với "theo dõi thời gian thực" ở quy mô "sáp nhập lỗ đen siêu lớn".

Trong nghiên cứu này, Silke Britzen, Frédéric Jaron và Nicholas Roy McDonald từ Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck được ký kết với tư cách là đồng tác giả và các kết quả liên quan sẽ được công bố trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Cặp sao đôi lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Mrk 501 này không chỉ cung cấp một trường hợp quan trọng để hiểu lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà phát triển như thế nào mà còn mở ra một “tầm bắn” hiếm có cho thiên văn học sóng hấp dẫn trong tương lai dựa trên thời gian của xung, cho phép con người chứng kiến ​​một “sự hợp nhất lỗ đen” quy mô vũ trụ bằng chính mắt mình trong vài thập kỷ tới cho đến hàng trăm năm tới.