星系中心的黑洞好像桌球可以解釋黑洞如何合併

黑洞是宇宙中最迷人的物體之一，但我們對它們的了解仍然有限，尤其是因為它們不發光。直到幾年前，光還是我們了解宇宙及黑洞的主要知識來源，直到2015年激光干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，簡稱 LIGO）對兩個黑洞合併產生的重力波進行突破性觀測。

丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的助理教授約翰·三辛（Johan Samsing）說：「在我們的宇宙中，這些黑洞是如何、在何處形成和合併的？當附近的恆星坍塌並變成黑洞時會發生這種情況，是通過星團中的近距離偶然相遇，還是其它原因？這些是一些引力波天體物理學新時代的關鍵問題。」

三辛和他的研究團隊為這個謎題提供了一個新的觀點，可能解決過去幾年天體物理學家一直在努力解決這個謎團的最後一部分。

這個謎團可以追溯到2019年，當時激光干涉重力波天文台和室女座干涉儀（Virgo interferometer）意外發現了重力波。這個名為GW190521的事件是兩個黑洞的合併，這兩個黑洞不僅比以前認為的質量可能更重，而且還產生了一道閃光。

此後，對這兩個特徵提供了可能的解釋，但重力波還揭露這次事件的第三個驚人特徵，就是黑洞在合併前的時刻並沒有沿著一個圓圈相互繞行。GW190521重力波事件是至今為止最令人驚訝的發現。黑洞的質量和自轉已經令人驚訝，但更令人驚訝的是，它們似乎沒有導致合併的圓形軌道。

但為什麼非圓形軌道如此不尋常和出人意料？這是因為所發射的重力波的基本性質，這不僅使這對黑洞更接近最終合併，而且還起到使它們的軌道圓化的作用。這個現象讓世界各地的許多人，包括哥本哈根的約翰·三辛都感到奇怪。

三辛表示，這讓我開始思考這種非循環的合併是如何以觀察表明的驚人高概率發生。一個可能性的答案在星系中心的惡劣環境中找到，星系中心有一個質量是太陽數百萬倍的巨大黑洞，周圍環繞著一個平坦的旋轉氣體盤。在這些環境中，黑洞的典型速度和密度是如此之高，以至於較小的黑洞會像桌球遊戲一樣四處彈跳，並且不可能存在寬的圓形雙星。

新的研究顯示，氣體盤在捕獲較小的黑洞方面發揮著重要作用，隨著時間的流逝，這些黑洞越來越靠近中心，也越來越互相靠近。這不僅意味著它們相遇並形成對，而且這樣的一對可能與另一個第三個黑洞相互作用，通常會導致三個黑洞四處亂飛。

然而，之前的所有研究直到觀測到GW190521都顯示，形成偏心黑洞並合的情況相對較少。這自然引出了一個問題：為什麼已經不尋常的重力波源GW190521也會在偏心軌道上合併？

三辛說：「目前為止計算的一切都是基於黑洞相互作用發生在立體上的概念，正如所考慮的大多數恆星系統所預期的那樣，但隨後我們開始思考，如果黑洞相互作用發生在更接近平面環境的扁平圓盤中會發生什麼。令人驚訝的是，我們發現在這個極限內，形成偏心合併的可能性增加多達一百倍，這導致此類磁盤中大約一半的黑洞合併可能是古怪的。而且這個發現與2019年的觀測結果非常吻合，總而言之，如果它是在圍繞超大質量黑洞的扁平氣盤中產生的，那麼這個源的其它壯觀特性現在不再那麼奇怪了。」

三個物體之間的相互作用是物理學中最古老的問題之一，牛頓和其他人都對此進行了深入研究。現在這似乎在黑洞如何在我們一些最極端的地方融合中發揮著至關重要的作用。宇宙是令人難以置信的迷人。

氣體盤的理論也符合其他研究人員對GW190521其它兩個令人費解的性質的解釋。黑洞的大質量是通過圓盤內的連續合併達到的，而光的發射可能來自環境氣體。

【圖、文：節譯自丹麥哥本哈根大學2022年3月9日新聞公佈】研究全文刊登在2022年3月9日出版的《自然》期刊；標題是：AGN as potential factories for eccentric black hole mergers