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藝術(shù)概念圖

被致密氣體-塵埃盤環(huán)繞的星系中央超大質(zhì)量黑洞

2017年，三名美國物理學(xué)家因在探測引力波過程中扮演的角色，共享諾貝爾物理學(xué)獎。引力波是由宇宙內(nèi)一些最猛烈事件導(dǎo)致的時空漣漪。此次探測到的引力波信號來自于黑洞對撞。

迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)6次探測到引力波信號，其中有5次來自于恒星級黑洞的合并，1次來自于中子星合并。在造就這些引力波的恒星級黑洞中，絕大多數(shù)的質(zhì)量達(dá)到太陽的20倍。這讓天文學(xué)家陷入困惑之中，因為恒星級黑洞的質(zhì)量通常在太陽的10到15倍之間。黑洞由大質(zhì)量恒星塌陷形成。 

引力波是時空結(jié)構(gòu)泛起的漣漪

由兩個致密天體合并導(dǎo)致，例如黑洞或者中子星。這種漣漪的傳播速度達(dá)到光速

合并前，這些質(zhì)量較小的黑洞如何“增肥”？過去，科學(xué)家就懷疑這些黑洞的身軀超過普通恒星級同類，因為它們的前身是缺乏金屬或者氫和氦以外元素的巨恒星。貧金屬恒星產(chǎn)生的太陽風(fēng)較弱，塌陷成黑洞時能夠保住絕大多數(shù)物質(zhì)。

但根據(jù)《天體物理學(xué)快報》公布的一項新研究，恒星級黑洞的“增肥”方式或許不止一種且與低金屬“飲食”無關(guān)。論文中，科學(xué)家概述了恒星級黑洞的一種生長途徑：吸食星系中央超大質(zhì)量黑洞周圍的物質(zhì)。這種新機(jī)制有助于科學(xué)家預(yù)測新的引力波來源。 

黑洞吸食伴星的氣體

天文學(xué)家知道大部分大型星系的中央存在超大質(zhì)量黑洞。在這些怪獸級黑洞中，很多基本上處于休眠狀態(tài)，無論是吸食的物質(zhì)還是放射的光線都少得可憐。不過，某些超大質(zhì)量黑洞被一個致密的氣體-塵埃盤環(huán)繞。在旋向黑洞時，盤內(nèi)的物質(zhì)聚集在一起。這個旋轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生驚人摩擦，導(dǎo)致盤內(nèi)物質(zhì)放射出明亮的光芒。在所謂的活躍星系核，這種輻射盤異常明亮。 

銀河系中央潛伏著一個超大質(zhì)量黑洞

無數(shù)恒星棲身于盤外，很多最終塌陷成恒星級黑洞。根據(jù)這項新研究，附近的恒星級黑洞很容易成對落入活躍星系核的物質(zhì)盤。在螺旋靠近這個盤時，它們吸食沿途的物質(zhì)，質(zhì)量從7個太陽增肥到20個太陽，而后對撞合并。根據(jù)黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號，兩個合并黑洞的質(zhì)量在20個太陽左右。不過，它們最初的質(zhì)量并不大。 

激光干涉引力波天文臺（LIGO），用于探測引力波

通過這種方式增肥時，恒星級黑洞的所處環(huán)境還會導(dǎo)致它們的旋轉(zhuǎn)軸同步，就像兩個一前一后旋轉(zhuǎn)的陀螺。根據(jù)這項新研究，在兩個黑洞最終合并時，這個系統(tǒng)會以引力波的形式釋放大約10%的能量。如果兩個黑洞對撞合并時的方向隨機(jī)，所釋放的引力波能量只有前者的三分之一。這意味著當(dāng)前的技術(shù)能夠探測到這種合并，例如激光干涉引力波天文臺（LIGO）。 

天鵝座X-1黑洞藝術(shù)概念圖，正在吸食藍(lán)星的物質(zhì)

論文作者指出這些黑洞可能釋放大量X射線、伽瑪射線或者無線電波，提供與引力波信號對應(yīng)的電磁信號，進(jìn)而幫助科學(xué)家揭示隱藏特征的重要細(xì)節(jié)。2017年，天文學(xué)家觀測到兩顆中子星合并產(chǎn)生的引力波和伽瑪射線。卡內(nèi)基天文臺的天文學(xué)家喬什·希蒙當(dāng)時表示：“有些東西你能夠借助引力波發(fā)現(xiàn)，但卻永遠(yuǎn)無法借助電磁波看到，反之亦然。將二者結(jié)合有助于我們進(jìn)一步洞察這些極端天體?！?/span>

半人馬座A，內(nèi)部潛伏著一個特大質(zhì)量黑洞

LIGO天文臺的觀測發(fā)現(xiàn)或許可以用這種新的黑洞生長機(jī)制解釋，當(dāng)然也可用貧金屬恒星解釋，又或者二者皆有可能。目前，科學(xué)家尚無法得出一個確切答案。LIGO和它的姊妹探測器“處女座”正按計劃進(jìn)行升級，2019年初將再次啟動。重裝上陣后，天文學(xué)家將搜尋能夠與電磁觀測結(jié)果匹配的引力波。這些多信使觀測可能成為未來天文學(xué)研究的關(guān)鍵，值得科學(xué)家密切關(guān)注。