造黑洞的“工廠”

Sora

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

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

新的觀測(cè)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(gè)太陽(yáng)般質(zhì)量的“巨獸”潛伏。

問(wèn)題是：它們?cè)趺磿?huì)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(huì)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(jìn)行“配對(duì)”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(jí)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(wú)處不在的氣體，所謂的活動(dòng)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(cè)器，應(yīng)該能夠找出這些膨脹巨人一級(jí)級(jí)組裝起來(lái)的跡象。盡管檢測(cè)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(lái)，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(huì)出現(xiàn)在相對(duì)于AGN氣體盤平面傾斜的軌道上。每次它們浸入氣體盤時(shí)，摩擦都會(huì)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(huì)將這些黑洞從最初分散的位置引導(dǎo)到一個(gè)特殊環(huán)中，這種誘捕過(guò)程類似于造了一個(gè)“陷阱”。

佛羅里達(dá)大學(xué)LIGO合作成員伊姆雷·巴托斯估計(jì)，這些星系“陷阱”可以迅速收集成千上萬(wàn)個(gè)黑洞，其中許多黑洞將變得足夠近，從而被迫“配對(duì)”。同時(shí)，氣體產(chǎn)生的摩擦將使它們比在空曠的空間中碰撞的時(shí)間更加提前。巴托斯說(shuō)，“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(gè)接一個(gè)地添加黑洞”。

證據(jù)不足

天體物理學(xué)家學(xué)家同時(shí)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(gè)看起來(lái)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(zhēng)議，有數(shù)據(jù)顯示其大約為70個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，如果這一猜測(cè)成立，那么過(guò)去巨大黑洞以50個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量為“標(biāo)準(zhǔn)”，可能就不太準(zhǔn)確了。

另外，球狀星團(tuán)是另一個(gè)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(huì)形成密集的集群，有時(shí)還會(huì)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(huì)使球狀星團(tuán)中的大多數(shù)星體成對(duì)成對(duì)飛出，從而阻止它們找到可以合并的對(duì)象。

經(jīng)過(guò)多年的理論推測(cè)，一些研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)由數(shù)量眾多星團(tuán)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(píng)論快報(bào)》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(cè)，暴露的“星體”中一個(gè)黑洞質(zhì)量約為50個(gè)太陽(yáng)，在合并前它們以目前最高速度的40%轉(zhuǎn)動(dòng)，暗示了早先的碰撞才使它們旋轉(zhuǎn)。

另一個(gè)由AGN驅(qū)動(dòng)的候選事件出現(xiàn)在10月。根據(jù)尚未發(fā)表的同行評(píng)審的預(yù)印本研究報(bào)告，這個(gè)候選合并事件被稱為GW170817A，質(zhì)量約為56個(gè)太陽(yáng)，合并前旋轉(zhuǎn)速度為最大值的50%。它與AGN碰撞的預(yù)測(cè)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(wàn)個(gè)黑洞。

但是，沒(méi)有一個(gè)候選事件是AGN“黑洞裝配線”的直接證據(jù)。GW170817A僅在LIGO的兩個(gè)探測(cè)器之一中出現(xiàn)—潛在的跡象表明，這很可能是個(gè)虛假警報(bào)，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(qiáng)調(diào)，需要更多數(shù)據(jù)以及更好地預(yù)測(cè)，才能最終證明這種罕見(jiàn)碰撞類型或其他碰撞類型的真實(shí)情況。

黑洞分類法

不管人們有沒(méi)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(jī)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(duì)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(jìn)一步的指引。

在建立新的黑洞分類法的過(guò)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(shuō)，光揭示了星系是由什么組成的，但是引力波可能會(huì)揭示它更微妙的內(nèi)在動(dòng)力。她說(shuō)，“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(cè)器一樣”，會(huì)揭示星系的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)。

盡管這些“探測(cè)器”尚未成真，但LIGO探測(cè)出來(lái)的旋轉(zhuǎn)大黑洞，使巴托斯感覺(jué)到“目標(biāo)”已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。他說(shuō)：“我曾習(xí)慣于預(yù)測(cè)未來(lái)。有了這些，基本上可以再現(xiàn)我們預(yù)測(cè)的黑洞，已經(jīng)非常令人興奮了。”