引力波透視：黑洞相遇背后的宇宙之謎

舞動(dòng)的黑洞是如何靠近合并的？

讓黑洞相互碰撞是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，但它確實(shí)會(huì)發(fā)生

一位藝術(shù)家的構(gòu)想，展示了一個(gè)被氣體盤環(huán)繞的超大質(zhì)量黑洞。

（圖片來(lái)源：加州理工學(xué)院/ R. Hurt（IPAC））

通過(guò)引力波觀測(cè)臺(tái)，我們已經(jīng)探測(cè)到了許多黑洞合并的事件，這讓我們意識(shí)到黑洞之間的碰撞比我們之前想象的要頻繁得多。最新的研究還提出了一種讓黑洞快速合并的可能方式：它們可能被捕獲到一個(gè)超大質(zhì)量伴星的吸積盤中。

從天體物理學(xué)的角度來(lái)看，讓兩個(gè)黑洞靠近并不是特別困難的事情。它們可以天生就是一個(gè)雙星系統(tǒng)的一部分，也有可能是在星際空間的某個(gè)角落偶然相遇。一旦它們開始繞著彼此轉(zhuǎn)動(dòng)，它們就會(huì)一直保持這個(gè)狀態(tài)，無(wú)限期地環(huán)繞著彼此。

在我們探測(cè)到合并黑洞的引力波之前，天文學(xué)家就已經(jīng)知道，處于雙黑洞軌道上的天體最終會(huì)走向一個(gè)致命的結(jié)局。我們了解到，大型星系是由許多較小星系合并而成的，幾乎每個(gè)星系中心都存在一個(gè)巨大的黑洞。但通常情況下，每個(gè)星系只有一個(gè)這樣的巨大黑洞，這意味著如果星系合并，它們的黑洞也必然會(huì)合并。

然而，讓黑洞真正發(fā)生碰撞是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。要讓兩個(gè)軌道物體靠近，你需要從系統(tǒng)中抽取能量和角動(dòng)量。由于太空中幾乎沒(méi)有摩擦，這變得非常困難。盡管行星系統(tǒng)可以通過(guò)輻射或氣體的存在來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但黑洞卻沒(méi)有這樣的選擇。

引力波可以從雙星系統(tǒng)中抽取能量和動(dòng)量，但由于引力波非常微弱，這個(gè)過(guò)程只有在兩個(gè)黑洞已經(jīng)非常接近彼此時(shí)才能起作用。這就是我們所說(shuō)的“最后一秒問(wèn)題”，天文學(xué)家意識(shí)到讓雙黑洞足夠靠近，以便引力波可以在推動(dòng)合并過(guò)程中發(fā)揮作用，這本身就是一個(gè)困難的任務(wù)

解決“最后一秒問(wèn)題”

多年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)提出了各種方法來(lái)解決“最后一秒問(wèn)題”。這些機(jī)制通常涉及一個(gè)遠(yuǎn)離雙黑洞軌道的第三個(gè)物體的存在。如果條件恰到好處，只要有正確的排列和速度，第三個(gè)伴星就可以輕輕地牽引雙黑洞，拉伸它們的軌道。這種拉伸會(huì)增加雙黑洞軌道的橢圓度。隨著橢圓度的增加，黑洞開始花費(fèi)更多的時(shí)間靠近彼此。一旦它們達(dá)到臨界距離，引力波將填補(bǔ)這個(gè)距離，黑洞最終合并。

但是這種情況需要第三個(gè)伴星的精確配置，并且可能還不足夠?；谒幸Σǖ挠^測(cè)，天文學(xué)家估計(jì)在宇宙中的每個(gè)立方千百萬(wàn)秒內(nèi)（大約是可觀測(cè)宇宙總體積的1/12000），每年會(huì)發(fā)生15到38次黑洞合并事件，而依賴第三個(gè)伴星的機(jī)制產(chǎn)生的次數(shù)不到這個(gè)數(shù)量的一半。

在一篇發(fā)表在預(yù)印數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv上的新論文中，研究人員提出了黑洞合并的一種新方法。這個(gè)方法也需要一個(gè)相當(dāng)特定的設(shè)置，但它比依賴遙遠(yuǎn)的第三個(gè)伴星要更加通用。

這個(gè)設(shè)置是在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞附近開始的。這并不是一個(gè)瘋狂的想法，因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞位于星系的中心，而星系中充滿了恒星，因此也有很多較小的黑洞。與大多數(shù)位于星系中心的事物一樣，我們很可能能夠找到許多圍繞中心超大質(zhì)量黑洞懶洋洋地繞行的雙黑洞。

這張圖片展示了銀河系中心的黑洞——Sagittarius A。

（圖片來(lái)源：EHT Collaboration，CC BY-SA）

這篇論文的作者發(fā)現(xiàn)，如果雙黑洞相對(duì)于圍繞超大質(zhì)量黑洞的軌道傾斜，就有可能引發(fā)一次合并。首先，雙黑洞對(duì)需要進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，這意味著它們軌道旋轉(zhuǎn)的軸會(huì)隨時(shí)間擺動(dòng)。如果這種進(jìn)動(dòng)的速率與圍繞中心超大質(zhì)量黑洞的軌道周期相匹配，那么它的巨大引力將定期對(duì)雙黑洞進(jìn)行牽引，使它們的橢圓度增加，從而增加最終合并的機(jī)會(huì)。

但這種匹配只有在雙黑洞繞中心超大質(zhì)量黑洞的軌道完全正確的情況下才能發(fā)生，這必須是一個(gè)非常幸運(yùn)的巧合。幸運(yùn)的是，作者發(fā)現(xiàn)自然界可以處理這一點(diǎn)。無(wú)論雙黑洞最初的軌道如何，如果它們位于超大質(zhì)量黑洞的盤中，它們將會(huì)逐漸向內(nèi)遷移。

無(wú)論它們的起始軌道如何，它們最終會(huì)找到一個(gè)距離，使得它們的軌道周期與進(jìn)動(dòng)周期相匹配。如果它們?cè)谀莻€(gè)軌道上停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，中心超大質(zhì)量黑洞的引力將有足夠的時(shí)間增加其橢圓度。

作者發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)相當(dāng)通用的情況。通過(guò)運(yùn)行許多關(guān)于黑洞特性和起始條件的模擬，他們發(fā)現(xiàn)雙黑洞經(jīng)常會(huì)合并。

目前還不清楚這是否是合并發(fā)生的主要機(jī)制，或者只是眾多可能機(jī)制之一。無(wú)論如何，這項(xiàng)研究展示了黑洞的生活可以多么復(fù)雜，以及它們?cè)诤诎抵刑璧谋姸喾绞健?/p>

BY:Paul Sutter

FY: winwin

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處