星系中心的黑洞好像桌球，可以解释黑洞如何合并

黑洞是宇宙中最迷人的物体之一，但我们对它们的了解仍然有限，尤其是因为它们不发光。直到几年前，光还是我们了解宇宙及黑洞的主要知识来源，直到2015年激光干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，简称 LIGO）对两个黑洞合併产生的重力波进行突破性观测。

丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的助理教授约翰·三辛（Johan Samsing）说：“在我们的宇宙中，这些黑洞是如何、在何处形成和合併的？当附近的恆星坍塌并变成黑洞时会发生这种情况，是通过星团中的近距离偶然相遇，还是其它原因？这些是一些引力波天体物理学新时代的关键问题。”

三辛和他的研究团队为这个谜题提供了一个新的观点，可能解决过去几年天体物理学家一直在努力解决这个谜团的最后一部分。

这个谜团可以追溯到2019年，当时激光干涉重力波天文台和室女座干涉仪（Virgo interferometer）意外发现了重力波。这个名为GW190521的事件是两个黑洞的合併，这两个黑洞不仅比以前认为的质量可能更重，而且还产生了一道闪光。

此后，对这两个特徵提供了可能的解释，但重力波还揭露这次事件的第三个惊人特徵，就是黑洞在合併前的时刻并没有沿著一个圆圈相互绕行。GW190521重力波事件是至今为止最令人惊讶的发现。黑洞的质量和自转已经令人惊讶，但更令人惊讶的是，它们似乎没有导致合併的圆形轨道。

但为什么非圆形轨道如此不寻常和出人意料？这是因为所发射的重力波的基本性质，这不仅使这对黑洞更接近最终合併，而且还起到使它们的轨道圆化的作用。这个现象让世界各地的许多人，包括哥本哈根的约翰·三辛都感到奇怪。

三辛表示，这让我开始思考这种非循环的合併是如何以观察表明的惊人高概率发生。一个可能性的答案在星系中心的恶劣环境中找到，星系中心有一个质量是太阳数百万倍的巨大黑洞，周围环绕著一个平坦的旋转气体盘。在这些环境中，黑洞的典型速度和密度是如此之高，以至于较小的黑洞会像桌球游戏一样四处弹跳，并且不可能存在宽的圆形双星。

新的研究显示，气体盘在捕获较小的黑洞方面发挥著重要作用，随著时间的流逝，这些黑洞越来越靠近中心，也越来越互相靠近。这不仅意味著它们相遇并形成对，而且这样的一对可能与另一个第三个黑洞相互作用，通常会导致三个黑洞四处乱飞。

然而，之前的所有研究直到观测到GW190521都显示，形成偏心黑洞并合的情况相对较少。这自然引出了一个问题：为什么已经不寻常的重力波源GW190521也会在偏心轨道上合併？

三辛说：“目前为止计算的一切都是基于黑洞相互作用发生在立体上的概念，正如所考虑的大多数恆星系统所预期的那样，但随后我们开始思考，如果黑洞相互作用发生在更接近平面环境的扁平圆盘中会发生什么。令人惊讶的是，我们发现在这个极限内，形成偏心合併的可能性增加多达一百倍，这导致此类磁盘中大约一半的黑洞合併可能是古怪的。而且这个发现与2019年的观测结果非常吻合，总而言之，如果它是在围绕超大质量黑洞的扁平气盘中产生的，那么这个源的其它壮观特性现在不再那么奇怪了。”

三个物体之间的相互作用是物理学中最古老的问题之一，牛顿和其他人都对此进行了深入研究。现在这似乎在黑洞如何在我们一些最极端的地方融合中发挥著至关重要的作用。宇宙是令人难以置信的迷人。

气体盘的理论也符合其他研究人员对GW190521其它两个令人费解的性质的解释。黑洞的大质量是通过圆盘内的连续合併达到的，而光的发射可能来自环境气体。

【图、文：节译自丹麦哥本哈根大学2022年3月9日新闻公佈】研究全文刊登在2022年3月9日出版的《自然》期刊；标题是：AGN as potential factories for eccentric black hole mergers

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。