超大质量黑洞的气体盘中存在很多较小黑洞的想象图。图片来源：J。 Samsing/Niels Bohr Institute
我们发现了星系中心的超大质量黑洞，发现了相互绕转合并的双黑洞，前一阵子还发现了在星系中流浪的孤立黑洞。而这次，天文学家根据引力波事件GW190521猜想，星系中心的超大质量黑洞周围的气体盘上，还可能分布着大量较小的黑洞。
撰文|王昱
审校|白德凡
自2015年9月14号起，人类观察宇宙的方式就有了根本上的改变。以LIGO和Virgo为首的引力波探测器打开了天文学多信使时代，人类能通过引力波直接探测到宇宙中最致密的天体——黑洞和中子星——之间最疯狂的合并。
更强的观测能力在回答了我们很多问题的同时，也给科学带来了更多的机遇，其中最明显的，就是将原本“未知的未知”转换成了“已知的未知”。
GW190521就是这样的“已知的未知”。它是LIGO和Virgo在2019年5月21日协调世界时（UTC，可以近似视为格林威治标准时间）03：02：29观测到的，2020年9月2日，科学家公开了相关观测数据。经过分析，该引力波信号是由两个分别为85倍和66倍太阳质量的黑洞合并产生的，合并产生了142倍太阳质量的黑洞，其中9倍太阳质量转化成了引力波能量。
LIGO（左侧为位于Hanford的探测器，中间为位于Livingston的探测器）和Virgo（右侧）观测到的GW190521波形和时频图。图片来源：R。 Abbott et al。 （LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration）
怪异的合并
这次合并充满了蹊跷，对GW190521的质疑甚至登上了《天体物理学杂志快报》和《自然·天文学》。
首先是这些黑洞的质量太奇怪了。参与合并的黑洞质量太大，无法由恒星直接形成。130倍太阳质量以下的恒星以超新星爆炸的形式死亡时，最多只能形成50倍太阳质量的黑洞。而130倍太阳质量以上的恒星，则会由于核心温度太高，高能伽马光子甚至可以产生正负电子对，直接降低了核心的热压力，导致剧烈的生对不稳定性超新星（pair-instability supernova）爆炸，整个恒星被炸得灰飞烟灭，什么也不会剩下。更大质量的恒星则可以不经历超新星爆炸直接形成黑洞，但这种黑洞最小也有135倍太阳质量左右。50到135倍太阳质量之间的黑洞，在科学家看来应该是其他黑洞合并的产物。而本次合并事件产生的黑洞则有142倍太阳质量，属于天文学家一直在寻找的中等质量黑洞。天文学家已经发现了不少黑洞，可它们大约都是几个、十几倍太阳质量的恒星级黑洞，还有位于星系中心的，动辄几百万乃至几百亿倍太阳质量的超大质量黑洞，却很少发现质量在两者中间的中等质量黑洞。天文学家终于通过GW190521补齐了这个遗憾。
其次是这次合并还产生了一阵闪光。每次探测到引力波信号后，自动化的望远镜就会在程序指导下去跟踪观测相应的方向。一般而言，连光都能吞噬的黑洞，在碰撞时也不会发光。科学家推测，这次闪光是因为黑洞合并时对周围的尘埃造成了影响，从而产生了闪光。
第三个奇怪的点是GW190521中的黑洞合并时，其轨道并正圆。对引力波波形的分析显示，造成GW190521的两颗黑洞在合并时，它们的轨道并非是标准的渐近圆形轨道，或者说，两者轨道的偏心率（eccentricity）并不为0。“引力波的基本性质不仅能拉近两个黑洞的距离使其合并，还能在这个过程中让它们绕转的轨道趋向于正圆。”哥伦比亚大学教授佐尔坦·海曼（Zoltan Haiman）解释道。
前两个异常都可以得到解释，但第三个异常则难以理解，它直接违反了双黑洞合并的模型——除非，这次合并根本就不是双黑洞合并，除了参与合并的两个黑洞之外，还有“第三者”黑洞在影响两个黑洞合并的“舞蹈”。
但是，根据以前的预测，在三维宇宙空间中，黑洞合并时几乎不应该出现“第三者”。人类到目前发现的引力波事件几乎全在下图中了，按概率来说，几乎不可能发现三黑洞合并。科学家怀疑是现有理论出了问题。就好像小明每天都会买两张不同号的彩票，哪怕中了一次，他都会觉得自己运气很好。但如果有一天他发现自己写的两个号一个是一等奖，一个是二等奖，那他更可能去打听打听自己和彩票平台的老总是不是有什么亲属关系。
蓝色表示目前用引力波观测到的黑洞，箭头表示观测到两个天体合并，并产生了质量更大的天体。图片来源：LIGO-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University
黑洞台球桌
而科学家近期就在《自然》杂志上公布了他们最新的猜想，可以解释为何我们这么早就能发现三黑洞合并的现象。他们认为，这两个合并的黑洞其实是位于一个超大质量黑洞周围，并且在超大质量黑洞周围，除了吸积效应产生气体盘外，还存在很多其他的小黑洞。
顺带一提，游戏《群星》中布满黑洞的星系盛产暗物质。而在某些理论中，黑洞的确是暗物质的候选体，但我们不可能从黑洞中“采集”暗物质。图片来源：Stellaris/paradox
就像太阳系一样，超大质量黑洞在中间，黑洞则取代了几颗行星的位置。但这些黑洞完全没有多数天体运行时那种精确重复的规律，它们的轨道远远没有达到稳定的程度，处在超大质量黑洞周围，这些“较小”的黑洞轨道注定不会稳定。
“最新的研究表明，气体盘在捕获较小黑洞方面扮演了重要的角色，随着时间的推移，黑洞之间的距离会越来越近。这意味着不仅有的黑洞会形成黑洞对，还有一些黑洞对可能会和第三个黑洞相互作用，这通常会导致这三个黑洞以混乱的舞步飞来飞去。”日本东北大学的天体物理学家郑昇明解释道，他参与了此项研究。所以，这个布满黑洞的气体盘更像是一个台球桌，上面布满了“黑洞台球”，它们的运动轨迹混乱且狂暴，根本无从预测，时不时相互碰撞融合，爆发出巨大的引力波能量。
在这种假设下，一切怪异都变得合理了起来。黑洞合并时释放的巨大能量在气体盘中引发一阵闪光显得非常合理。这种环境中，黑洞合并自然也是频繁发生的，所以观测到的黑洞质量不在恒星演化范围内也讲得通了，它们完全可能是更小的黑洞一级一级合并形成的。
并且，从三维的宇宙空间压缩到二维的气体盘，黑洞之间的间隔也小了很多，黑洞合并的概率大大增加。“我们惊人的发现，黑洞偏心合并的概率增加了100倍，这样的气体盘中，几乎一半黑洞合并都是偏心的。”本文作者，哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的助理教授约翰·桑辛（Johan Samsing）说，“这一发现与2019年的观测结果极为吻合，现在的观测结果表明，如果它发生在星系中心超大质量黑洞周围的扁平气体盘上，那么它在其他方面惊人的性质就显得不再奇怪了。”
混乱的舞台
天文学家还建立了这种情况下黑洞合并的模型，和以往的黑洞合并时有序绕转的华尔兹相比，模拟出来三黑洞合并的“剧情”竟然还显得有点狗血。
超大质量黑洞气体盘中黑洞合并的示意图。图片来源：Samsing， J。 et al。 Nature 603， 237–240 （2022）。
绿色、蓝色和紫色分别代表一颗黑洞的轨迹。绿色和蓝色代表原本是相互绕转的一对黑洞，在没有外界干扰的情况下，它们就会这样慢慢以正圆轨道合并。但这时，紫色代表的黑洞突然闯了进来，在一阵混乱的运动之后，不论是出于“自古红蓝出CP”的习惯（强行把紫色看作洋红色），还是出于原谅色的魔咒，绿色代表的黑洞被甩到了一边。但它的影响也没有完全消失，在绿色代表的黑洞的影响下，蓝色、紫色代表的黑洞在合并时的轨道也偏离了正圆，而是以椭圆轨道合并。
在解释奇怪引力波信号的产生原因之外，这一模型对天文学家其实还有意外的用途。带有气体盘的星系中心超大质量黑洞，根据1993年天文学家罗伯特·安东努奇（Robert Antonucci）提出的“统一模型”，其实就是活动星系核（AGN），活动星系核算得上整个宇宙中最高能的天体，在某些角度上看过去，它甚至可以比整个星系更亮，被我们称为类星体。天文学家对它的气体盘结构一直非常好奇。
“多年来，人们一直致力于理解这种气体盘的结构，但问题很难解决。我们的结果对这个盘的平整度以及黑洞在其中移动的方式非常敏感。时间将会告诉我们，一旦我们观测到更多黑洞合并事件，包括更多像GW190521一样不常见的合并，我们能增进对这些盘的理解。为此，我们必须在我们现有成果的基础上再接再厉，看它会将我们领向哪些新的、令人兴奋的领域。”论文合著者，佐尔坦·海曼教授总结道。
参考链接：
https：//www.eurekalert.org/news-releases/945806
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-04333-1
https：//en.wikipedia.org/wiki/GW190521
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab584d
https：//www.nature.com/articles/s41550-021-01568-w
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab584d
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