关于黑洞 V404 Cygni 的一个惊人发现正在重新塑造我们对黑洞、它们可能的伴侣及其形成过程的理解。
迄今为止，许多被发现的黑洞似乎以对的形式存在。这些双星系统由一个黑洞和另一个实体组成——例如一颗星、一颗更密集的中子星或另一颗黑洞——它们互相围绕，受黑洞的引力影响，形成紧密的轨道关系。
然而，最近的一个意外发现正在拓宽我们对黑洞、它们可能寄宿的伴侣及其形成机制的见解。
在《自然》杂志上发表的一项研究中，来自麻省理工学院和加州理工学院的研究人员宣布了他们首次观察到“黑洞三重系统”。这一新配置特征是一个中央黑洞正在积极吞食一颗每 6.5 天紧密螺旋靠近它的小明星——类似于大多数双星系统。令人惊讶的是，还有一颗第二颗星似乎在相距更远的地方绕着黑洞运行。专家们估计，这颗遥远的伴侣每 70,000 年绕黑洞完成一次轨道。
黑洞似乎对如此遥远的东西施加引力，这引发了关于它自身起源的有趣问题。传统上，黑洞被认为源于一颗星星的爆炸性死亡——即超新星现象，其中一颗星星在坍缩成为看不见的黑洞之前，释放出大量能量和光。
相反，研究小组的发现表明，如果这颗黑洞来自于典型的超新星，那么在其坍缩过程中释放的能量应该会将其附近的松散结合的物体驱赶出去。因此，这颗第二颗遥远的星星不应该仍然存在。
相反，研究人员提出，这颗黑洞是通过一种更温和的机制形成的，称为“直接坍缩”，在这种机制中，一颗星星仅仅是自我坍缩，而没有爆炸性的结局，避免对周围松散结合的、遥远的物体造成重大干扰。
这个新三重系统中包括一颗远离的星星，暗示了黑洞通过这种直接坍缩方法的温和出生。尽管天文学家们多年来观察到了更激烈的超新星，研究小组认为，这个新三重系统可能提供了通过这种更安静的过程形成黑洞的首次证据。
“我们通常认为黑洞是由剧烈的星际爆炸产生的，但这个发现挑战了这一假设，”研究作者、麻省理工学院物理系的帕帕拉多研究员凯文·伯奇（Kevin Burdge）表示。“这个系统对于理解黑洞演化极其重要，并引发了是否还有更多三重系统存在的问题。”
本研究的共同作者包括麻省理工学院的艾琳·卡拉（Erin Kara）、克劳德·卡尼扎雷斯（Claude Canizares）、迪普托·查克拉巴特（Deepto Chakrabarty）、安娜·弗雷贝尔（Anna Frebel）、萨拉·米尔霍兰（Sarah Millholland）、索尔·拉帕波特（Saul Rappaport）、罗布·辛科（Rob Simcoe）和安德鲁·范德堡（Andrew Vanderburg），以及来自加州理工学院的凯里姆·艾尔·巴德里（Kareem El-Badry）。
组合运动
黑洞三重系统的探测是有些偶然的。这些物理学家在检查阿拉丁轻量版（Aladin Lite）时偶然发现了它，这是一个从全球及太空的望远镜收集的天文观测数据库。这个在线工具使天文学家能够搜索各种在不同能量和光波长下由不同望远镜拍摄的特定天空区域的图像。
研究人员主要探索银河系寻找新黑洞的迹象。出于好奇，伯奇查看了 V404 Cygni 的图像——一个距地球约 8,000 光年的黑洞，因在 1992 年被确认是最早的黑洞之一而闻名。自那时以来，V404 Cygni 已经被广泛研究，出现在超过 1,300 篇科学文章中，但没有一篇记录了伯奇和他的团队所做的观察。
当伯奇检查 V404 Cygni 的光学图像时，他注意到两个出乎意料地接近的光斑。第一个光斑被识别为黑洞和一颗紧密围绕它运行的内部星。这种接近导致这颗星向黑洞释放一些物质，产生可见光。然而，第二个光斑则是之前被忽视的源，伯奇推测是来自一颗非常遥远的星星。
“在这个距离看到两个不同的星星表明它们一定非常遥远，”伯奇表示，他计算外部星距离黑洞为 3,500 天文单位（AU）（1 AU 是地球到太阳的距离）。简单来说，外部星距离黑洞是地球与太阳距离的 3,500 倍，相当于从冥王星到太阳的 100 倍距离。
这引出了一个问题，即外部星是否与黑洞及其内部伴侣有任何联系。为了解答这个问题，研究人员咨询了 Gaia，这是一颗自 2014 年以来准确追踪银河中星星运动的卫星。通过分析过去十年 Gaia 数据中内部和外部星的运动，团队注意到它们的运动与邻近星相比是完全一致的。他们推测，这种同步运动的可能性约为一千万分之一。
“这几乎肯定不是纯粹的偶然，”伯奇断言。“我们观察到两个星星一起运动是因为它们被一种微弱的引力联系在一起。因此，我们确认这是一个三重系统。”
相互关联的力量
那么，这个系统是如何形成的？如果黑洞源于典型的超新星，它的爆炸性冲击早在很久以前就会将外部星驱逐。
“想象拉着一只风筝；你不是用粗壮的绳子在拉，而是用一根脆弱的蜘蛛网，”伯奇解释道。“如果你拉得太紧，网就会断，你就会失去风筝。引力就像这根几乎没有阻力的绳子，非常脆弱；对内部双星的任何重大干扰都可能导致外部星的丧失。”
伯奇进行了一系列模拟，探索这个三重系统是如何发展并保持外部星的。在每次模拟开始时，他包括了三颗星（在其转变之前，黑洞是第三颗星）。他进行了数万次模拟，每次提出了第三颗星如何演变为黑洞并影响剩余两颗星运动的略有改变的情境。这些情况包括超新星，调节能量释放的数量和方向，以及直接坍缩的情境，其中第三颗星简单地自我塌陷成为黑洞，而没有释放任何能量。
“大多数模拟表明，创建这个三重系统的最简单方式是通过直接坍缩，”伯奇指出。
除了提供关于黑洞起源的见解，外部星还揭示了该系统的年龄。研究人员指出，这颗外部星目前正在转变为红巨星，这是星星生命周期结束时的一个阶段。利用这一星际进程，他们估计外部星的年龄约为 40 亿年。由于在相互靠近诞生的星星通常具有相近的年龄，研究人员得出结论，黑洞三重系统也有 40 亿年的历史。
“直到现在，我们还无法实现与一颗古老黑洞的关联，”伯奇表示。“意识到 V404 Cygni 是一个三重系统，开启了其大约 40 亿年前通过直接坍缩形成的可能性，这要感谢这一发现。”
这项研究部分得到国家科学基金会的支持。
