造黑洞的“工廠”

Sora

藝術(shù)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(xué)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(xué)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(rèn)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(yīng)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(dǎo)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(xué)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(xué)家學(xué)家同時也在關(guān)注巨大黑洞的合并事件。近日，天體物理學(xué)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)”，可能就不太準(zhǔn)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(xué)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(dǎo)致的合并。他們預(yù)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(yù)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(yù)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(yuǎn)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(rèn)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(yù)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(rèn)為，基于光波而非引力波的傳統(tǒng)天文學(xué)，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(xué)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(biāo)”已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。他說：“我曾習(xí)慣于預(yù)測未來。有了這些，基本上可以再現(xiàn)我們預(yù)測的黑洞，已經(jīng)非常令人興奮了。”