2022年03月19日 09:00
環球科學
超大質量黑洞的氣體盤中存在很多較小黑洞的想象圖。圖片來源：J。
Samsing/Niels Bohr Institute
我們發現了星系中心的超大質量黑洞，發現了相互繞轉合並的雙黑洞，前一陣子還發現了在星系中流浪的孤立黑洞。而這次，天文學家根據引力波事件GW190521猜想，星系中心的超大質量黑洞周圍的氣體盤上，還可能分布著大量較小的黑洞。
撰文|王昱
審校|白德凡
自2015年9月14號起，人類觀察宇宙的方式就有了根本上的改變。以LIGO和Virgo為首的引力波探測器打開了天文學多信使時代，人類能通過引力波直接探測到宇宙中最致密的天體——黑洞和中子星——之間最瘋狂的合並。
更強的觀測能力在回答了我們很多問題的同時，也給科學帶來了更多的機遇，其中最明顯的，就是將原本「未知的未知」轉換成了「已知的未知」。
GW190521就是這樣的「已知的未知」。它是LIGO和Virgo在2019年5月21日協調世界時（UTC，可以近似視為格林威治標准時間）03：02：29觀測到的，2020年9月2日，科學家公開了相關觀測數據。經過分析，該引力波信號是由兩個分別為85倍和66倍太陽質量的黑洞合並產生的，合並產生了142倍太陽質量的黑洞，其中9倍太陽質量轉化成了引力波能量。
LIGO（左側為位於Hanford的探測器，中間為位於Livingston的探測器）和Virgo（右側）觀測到的GW190521波形和時頻圖。圖片來源：R。
Abbott et al。
（LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration）
怪異的合並
這次合並充滿了蹊蹺，對GW190521的質疑甚至登上了《天體物理學雜志快報》和《自然·天文學》。
首先是這些黑洞的質量太奇怪了。參與合並的黑洞質量太大，無法由恒星直接形成。130倍太陽質量以下的恒星以超新星爆炸的形式死亡時，最多只能形成50倍太陽質量的黑洞。而130倍太陽質量以上的恒星，則會由於核心溫度太高，高能伽馬光子甚至可以產生正負電子對，直接降低了核心的熱壓力，導致劇烈的生對不穩定性超新星（pair-instability supernova）爆炸，整個恒星被炸得灰飛煙滅，什麼也不會剩下。更大質量的恒星則可以不經曆超新星爆炸直接形成黑洞，但這種黑洞最小也有135倍太陽質量左右。50到135倍太陽質量之間的黑洞，在科學家看來應該是其他黑洞合並的產物。而本次合並事件產生的黑洞則有142倍太陽質量，屬於天文學家一直在尋找的中等質量黑洞。天文學家已經發現了不少黑洞，可它們大約都是幾個、十幾倍太陽質量的恒星級黑洞，還有位於星系中心的，動輒幾百萬乃至幾百億倍太陽質量的超大質量黑洞，卻很少發現質量在兩者中間的中等質量黑洞。天文學家終於通過GW190521補齊了這個遺憾。
其次是這次合並還產生了一陣閃光。每次探測到引力波信號後，自動化的望遠鏡就會在程序指導下去跟蹤觀測相應的方向。一般而言，連光都能吞噬的黑洞，在碰撞時也不會發光。科學家推測，這次閃光是因為黑洞合並時對周圍的塵埃造成了影響，從而產生了閃光。
第三個奇怪的點是GW190521中的黑洞合並時，其軌道並正圓。對引力波波形的分析顯示，造成GW190521的兩顆黑洞在合並時，它們的軌道並非是標准的漸近圓形軌道，或者說，兩者軌道的偏心率（eccentricity）並不為0。「引力波的基本性質不僅能拉近兩個黑洞的距離使其合並，還能在這個過程中讓它們繞轉的軌道趨向於正圓。」哥倫比亞大學教授佐爾坦·海曼（Zoltan Haiman）解釋道。
前兩個異常都可以得到解釋，但第三個異常則難以理解，它直接違反了雙黑洞合並的模型——除非，這次合並根本就不是雙黑洞合並，除了參與合並的兩個黑洞之外，還有「第三者」黑洞在影響兩個黑洞合並的「舞蹈」。
但是，根據以前的預測，在三維宇宙空間中，黑洞合並時幾乎不應該出現「第三者」。人類到目前發現的引力波事件幾乎全在下圖中了，按概率來說，幾乎不可能發現三黑洞合並。科學家懷疑是現有理論出了問題。就好像小明每天都會買兩張不同號的彩票，哪怕中了一次，他都會覺得自己運氣很好。但如果有一天他發現自己寫的兩個號一個是一等獎，一個是二等獎，那他更可能去打聽打聽自己和彩票平台的老總是不是有什麼親屬關系。
藍色表示目前用引力波觀測到的黑洞，箭頭表示觀測到兩個天體合並，並產生了質量更大的天體。圖片來源：LIGO-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University
黑洞台球桌
而科學家近期就在《自然》雜志上公布了他們最新的猜想，可以解釋為何我們這麼早就能發現三黑洞合並的現象。他們認為，這兩個合並的黑洞其實是位於一個超大質量黑洞周圍，並且在超大質量黑洞周圍，除了吸積效應產生氣體盤外，還存在很多其他的小黑洞。
順帶一提，遊戲《群星》中布滿黑洞的星系盛產暗物質。而在某些理論中，黑洞的確是暗物質的候選體，但我們不可能從黑洞中「采集」暗物質。圖片來源：Stellaris/paradox
就像太陽系一樣，超大質量黑洞在中間，黑洞則取代了幾顆行星的位置。但這些黑洞完全沒有多數天體運行時那種精確重複的規律，它們的軌道遠遠沒有達到穩定的程度，處在超大質量黑洞周圍，這些「較小」的黑洞軌道注定不會穩定。
「最新的研究表明，氣體盤在捕獲較小黑洞方面扮演了重要的角色，隨著時間的推移，黑洞之間的距離會越來越近。這意味著不僅有的黑洞會形成黑洞對，還有一些黑洞對可能會和第三個黑洞相互作用，這通常會導致這三個黑洞以混亂的舞步飛來飛去。」日本東北大學的天體物理學家鄭昇明解釋道，他參與了此項研究。所以，這個布滿黑洞的氣體盤更像是一個台球桌，上面布滿了「黑洞台球」，它們的運動軌跡混亂且狂暴，根本無從預測，時不時相互碰撞融合，爆發出巨大的引力波能量。
在這種假設下，一切怪異都變得合理了起來。黑洞合並時釋放的巨大能量在氣體盤中引發一陣閃光顯得非常合理。這種環境中，黑洞合並自然也是頻繁發生的，所以觀測到的黑洞質量不在恒星演化範圍內也講得通了，它們完全可能是更小的黑洞一級一級合並形成的。
並且，從三維的宇宙空間壓縮到二維的氣體盤，黑洞之間的間隔也小了很多，黑洞合並的概率大大增加。「我們驚人的發現，黑洞偏心合並的概率增加了100倍，這樣的氣體盤中，幾乎一半黑洞合並都是偏心的。」本文作者，哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所的助理教授約翰·桑辛（Johan Samsing）說，「這一發現與2019年的觀測結果極為吻合，現在的觀測結果表明，如果它發生在星系中心超大質量黑洞周圍的扁平氣體盤上，那麼它在其他方面驚人的性質就顯得不再奇怪了。」
混亂的舞台
天文學家還建立了這種情況下黑洞合並的模型，和以往的黑洞合並時有序繞轉的華爾茲相比，模擬出來三黑洞合並的「劇情」竟然還顯得有點狗血。
超大質量黑洞氣體盤中黑洞合並的示意圖。圖片來源：Samsing， J。
et al。
Nature 603， 237–240 （2022）。
綠色、藍色和紫色分別代表一顆黑洞的軌跡。綠色和藍色代表原本是相互繞轉的一對黑洞，在沒有外界幹擾的情況下，它們就會這樣慢慢以正圓軌道合並。但這時，紫色代表的黑洞突然闖了進來，在一陣混亂的運動之後，不論是出於「自古紅藍出CP」的習慣（強行把紫色看作洋紅色），還是出於原諒色的魔咒，綠色代表的黑洞被甩到了一邊。但它的影響也沒有完全消失，在綠色代表的黑洞的影響下，藍色、紫色代表的黑洞在合並時的軌道也偏離了正圓，而是以橢圓軌道合並。
在解釋奇怪引力波信號的產生原因之外，這一模型對天文學家其實還有意外的用途。帶有氣體盤的星系中心超大質量黑洞，根據1993年天文學家羅伯特·安東努奇（Robert Antonucci）提出的「統一模型」，其實就是活動星系核（AGN），活動星系核算得上整個宇宙中最高能的天體，在某些角度上看過去，它甚至可以比整個星系更亮，被我們稱為類星體。天文學家對它的氣體盤結構一直非常好奇。
「多年來，人們一直致力於理解這種氣體盤的結構，但問題很難解決。我們的結果對這個盤的平整度以及黑洞在其中移動的方式非常敏感。時間將會告訴我們，一旦我們觀測到更多黑洞合並事件，包括更多像GW190521一樣不常見的合並，我們能增進對這些盤的理解。為此，我們必須在我們現有成果的基礎上再接再厲，看它會將我們領向哪些新的、令人興奮的領域。」論文合著者，佐爾坦·海曼教授總結道。
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