中國科學家首次發現雙黑洞在第三個天體旁“共舞”

文圖/韓文標（中國科學院上海天文臺）

2015年9月14日，人類首次直接探測到雙黑洞并合產生的引力波。其后的十年里，國際引力波探測組織已探測到逾100次引力波事件，其中絕大多數是雙黑洞并合，即兩個恒星級質量黑洞從相距數千公里互相繞轉，通過引力波快速損失能量和角動量，在數秒內碰撞并合為一。

孤獨的宇宙舞者：

雙黑洞如何相遇？

在我們的想象中，這些宇宙中的雙黑洞像是一對孤獨的舞伴：它們在無垠的黑暗中相互吸引，繞轉跳舞，歷經數億年的引力華爾茲，最終在一次驚心動魄的合并中化為一體，將時空的漣漪——引力波——傳向宇宙的每一個角落。

實際上，雙黑洞如何接近彼此，近到引力波輻射開始主導它們的軌道變化，一直是科學家想要揭開的秘密。它們可能最初處于一對雙星中，隨著時間流逝，恒星相繼死亡并演化為黑洞，可能需要數億年時間才能靠近到引力波起作用的距離。科學家還提出，雙黑洞可能并非天生一對，而是在密集的星團中“擠滿了”四處亂撞的天體，兩個黑洞被其他天體“踢來踢去”，最終組成一對。此外，還有第三種可能，即在超大質量黑洞的吸積盤上形成。事實上，韓文標和合作者早在2018年就提出過一種可能的場景——極端質量比旋近雙星（b-EMRI），認為一對雙黑洞被星系中心的超大質量黑洞捕獲，形成一個“三人組”的設想。

GW190814：

一對“不般配”的

宇宙搭檔

不過，對于非雙星共同演化的形成渠道，科學家迄今沒有找到確定的證據，觀測到的仍是孤立的雙黑洞并合事件。直到最近，中國科學院上海天文臺科研人員通過仔細分析2019年8月14號的雙黑洞并合事件GW190814，發現在這次“雙人舞”的舞臺邊，或許還有一位隱形的“導演”在默默操控——第三個神秘的致密天體，甚至可能是一顆超大質量黑洞。這是科學家首次在雙黑洞并合事件中找到第三個致密天體存在的有力證據，為破解雙黑洞的身世之謎打開了新思路。

GW190814之所以引起科學家注意，是因為它是一對質量差異極大的致密天體：一個約為太陽質量的23倍，另一個僅2.6倍——這可能是有史以來觀測到的最輕的黑洞，或最重的中子星。這樣的“胖瘦組合”在雙黑洞系統中極為罕見，如同舞會上體型懸殊的舞伴，讓人不禁追問：它們是如何走到一起的？

隱藏的“導演”：

第三者的“引力指紋”

那么，要證明它們背后還有隱藏的“第三者”，必須找到它在引力波信號中留下的痕跡。研究團隊想到了一種熟悉的物理現象——多普勒效應。

日常生活中，如果一輛救護車朝你駛來，警笛聲調會升高；駛離時，聲調會降低。這是因為聲波在你和聲源的相對運動中被壓縮或拉伸。引力波同樣遵循多普勒效應——若雙黑洞在并合瞬間正沿著視線方向高速運動（因為它們同時圍繞第三個致密天體公轉），引力波頻率便會出現極其細微的變化。這種變化就是第三個天體留下的“引力指紋”。團隊為此構建了一種包含視向加速度的新型引力波波形模板，并用貝葉斯推斷方法對多個高信噪比的雙黑洞事件進行了分析。結果顯示，在GW190814的數據中，加入視向加速度的模型，比傳統的“孤立雙黑洞”模型解釋力更強。模型的貝葉斯因子達到58∶1，在統計學上已構成強有力的證據，支持第三個致密天體的存在。這是國際上首次在雙黑洞并合事件中發現第三個致密天體的明確跡象。

此次發現表明第三種形成機制的存在：在超大質量黑洞或其他致密天體的引力場中，雙黑洞更易受擾動而結合。這意味著在星系中心等極端引力環境中，雙黑洞并合的頻率可能超過此前預期。

約10年后，隨著下一代引力波探測器和空間引力波探測器的建成，人類將獲得前所未有的觀測能力：這些新設施將能探測更遠、更微弱的引力波信號，甚至能直接捕捉雙黑洞在超大質量黑洞附近公轉時產生的低頻引力波——那將是一首“宇宙三人舞”的協奏曲。

（責任編輯 / 李銀慧" 美術編輯 / 周游）