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藝術家對活躍銀河核的繪制—由白熾氣體構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)圓盤進入中央超大質(zhì)量黑洞之中

在2019年的第三次觀測中，LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）宣布了數(shù)十個初步用于天文觀測的引力波“候選者”。

新的觀測數(shù)據(jù)，令科學家感到疑惑。黑洞質(zhì)量可以變得特別大—在大多數(shù)大型星系的核心位置，都有數(shù)十億個太陽般質(zhì)量的“巨獸”潛伏。

問題是：它們怎么會變得如此巨大？它們的大部分質(zhì)量一定是在誕生后獲得的，畢竟吸收了氣體和物質(zhì)碎片。一些理論表明，合并或合并鏈，可能會形成超大質(zhì)量黑洞的初始“種子”。

但是，黑洞在孤寂的太空中進行“配對”并不容易。天體物理學家依然在苦苦思索此種情況產(chǎn)生的前提。

黑洞裝配線

一種新興理論認為，重量級分子聚集在巨大星系的核心附近。在那里，劇烈的白熾氣體以超大質(zhì)量黑洞為中心盤旋。得益于這種無處不在的氣體，所謂的活動星系核（AGN）可以像工廠一樣，利用較小黑洞“建造”出大黑洞。

如果是這樣的話，諸如LIGO之類的引力波探測器，應該能夠找出這些膨脹巨人一級級組裝起來的跡象。盡管檢測到的數(shù)量仍然太少，但一些研究人員將最近的兩次大規(guī)模合并，看作是AGN促成的黑洞融合。這樣一來，利用引力波不僅能研究黑洞，還可以研究誕生它們的恒星和星系。

由爆炸恒星的殘余物產(chǎn)生的一般黑洞，通常會出現(xiàn)在相對于AGN氣體盤平面傾斜的軌道上。每次它們浸入氣體盤時，摩擦都會使它們減速，并使其路徑與氣體盤合成一條直線。一旦嵌入，不均勻的壓力可能會將這些黑洞從最初分散的位置引導到一個特殊環(huán)中，這種誘捕過程類似于造了一個“陷阱”。

佛羅里達大學LIGO合作成員伊姆雷·巴托斯估計，這些星系“陷阱”可以迅速收集成千上萬個黑洞，其中許多黑洞將變得足夠近，從而被迫“配對”。同時，氣體產(chǎn)生的摩擦將使它們比在空曠的空間中碰撞的時間更加提前。巴托斯說，“它們將被迫合并在一起”，就像“一條黑洞裝配生產(chǎn)線，我們要在黑洞裝配生產(chǎn)線上一個接一個地添加黑洞”。

證據(jù)不足

天體物理學家學家同時也在關注巨大黑洞的合并事件。近日，天體物理學家宣布發(fā)現(xiàn)了一個看起來與伴侶恒星一起誕生的巨大黑洞。目前關于該黑洞的質(zhì)量還有爭議，有數(shù)據(jù)顯示其大約為70個太陽質(zhì)量，如果這一猜測成立，那么過去巨大黑洞以50個太陽質(zhì)量為“標準”，可能就不太準確了。

另外，球狀星團是另一個可能構(gòu)成異常重且快速旋轉(zhuǎn)的黑洞的“工廠”。在這些恒星豐富的地區(qū)，黑洞可能會形成密集的集群，有時還會相互碰撞。有天文學家在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，這種碰撞所產(chǎn)生的力，很可能會使球狀星團中的大多數(shù)星體成對成對飛出，從而阻止它們找到可以合并的對象。

經(jīng)過多年的理論推測，一些研究人員發(fā)現(xiàn)一個由數(shù)量眾多星團構(gòu)成的星體開始暴露跡象的線索。巴托斯和他的同事在2019年11月的《物理評論快報》中發(fā)表了這一“事件”—LIGO目錄中，質(zhì)量最大的合并事件GW170729，正是AGN氣體盤導致的合并。他們預測，暴露的“星體”中一個黑洞質(zhì)量約為50個太陽，在合并前它們以目前最高速度的40%轉(zhuǎn)動，暗示了早先的碰撞才使它們旋轉(zhuǎn)。

另一個由AGN驅(qū)動的候選事件出現(xiàn)在10月。根據(jù)尚未發(fā)表的同行評審的預印本研究報告，這個候選合并事件被稱為GW170817A，質(zhì)量約為56個太陽，合并前旋轉(zhuǎn)速度為最大值的50%。它與AGN碰撞的預測匹配程度，甚至比GW170729更接近。

這些星系“陷阱”可以迅速收集成千上萬個黑洞。

但是，沒有一個候選事件是AGN“黑洞裝配線”的直接證據(jù)。GW170817A僅在LIGO的兩個探測器之一中出現(xiàn)—潛在的跡象表明，這很可能是個虛假警報，是由地球上的噪聲污染而不是遙遠的碰撞引起的。

此外，由于宇宙中只有一小部分恒星位于AGN中，因此巴托斯的小組認為，這兩次合并的暗示性質(zhì)，很可能反映的是正常的“雙子”黑洞。

其他研究人員也強調(diào)，需要更多數(shù)據(jù)以及更好地預測，才能最終證明這種罕見碰撞類型或其他碰撞類型的真實情況。

黑洞分類法

不管人們有沒有能力將“一次性”的雙星系統(tǒng)與AGN“黑洞裝配線”以及其他用于黑洞合并的推定生產(chǎn)機制區(qū)分開，隨著LIGO目錄數(shù)量的激增，基于自旋和質(zhì)量類別的區(qū)分，已經(jīng)變得更加清晰。

巴托斯認為，基于光波而非引力波的傳統(tǒng)天文學，也可能對此有所幫助。其與已知AGN一致的“引力墜毀”情況，將為研究提供進一步的指引。

在建立新的黑洞分類法的過程中，天體物理學家已經(jīng)在集思廣益。加拿大理論天體物理研究所的凱特琳·布雷維克說，光揭示了星系是由什么組成的，但是引力波可能會揭示它更微妙的內(nèi)在動力。她說，“如果你在這些氣體盤中嵌入了黑洞，那么它們就像是嵌入這些氣體盤的重力探測器一樣”，會揭示星系的質(zhì)量和運動。

盡管這些“探測器”尚未成真，但LIGO探測出來的旋轉(zhuǎn)大黑洞，使巴托斯感覺到“目標”已經(jīng)不再遙遠。他說：“我曾習慣于預測未來。有了這些，基本上可以再現(xiàn)我們預測的黑洞，已經(jīng)非常令人興奮了?！?/p>