跳舞的黑洞怎样足够接近来合并

By Paul Sutter 

2022/8/10

Science & Astronomy

对黑洞来撞击进彼此是相当挑战的，但它发生。

一位艺术家的概念展示一个被气体盘包围的超大质量黑洞。 (Image credit: Caltech/R. Hurt (IPAC))

通过引力波天文台探测到的许多黑洞合并已经揭示黑洞撞击进彼此比我们想的往往远更多。现在，新的研究提出一种黑洞快速合并的方法：它们一定被一个超大质量伴星的吸积盘捕获。

天体物理学上讲，让两个黑洞彼此靠近是相对容易的。它们要么以这种方式被诞生作为一个双星系统的后代，要么它们在星际空间的深处随机遭遇。一旦进入轨道，它们能仍然保持如此，无休止地围绕着彼此盘旋。

甚至在探测到来自合并黑洞的引力波之前，天文学家就知道双的环绕的黑洞最终遇到了一个致命的结局。我们知道，大星系从许多更小星系的集体合并生长，宇宙中几乎每个星系的中心都宿主一个巨大的黑洞。但通常，每个星系只有一个巨大的黑洞，告诉我们如果星系合并那么它们的黑洞也一定合并。

但让黑洞撞击进彼此是相当挑战的。为了把两个环绕的天体带的更靠近，你不得不从这个系统吸掉能量和角动量。因为空间是相当无摩擦的，这是一项艰巨的工作。行星系统一直在这样做，但它通常涉及辐射的发射或气体的存在。黑洞没有这样的选择。

引力波能拉出一个双系统的能量和动量，但因为引力波是如此微弱，只有当两个黑洞已经非常接近彼此时这个过程才很好的工作。这被称为“最终秒差距问题”，在此天文学家已经认识到让双黑洞足够接近来让引力波在驱动合并中做剩下工作困难的。

解决最终的秒差距问题

多年来，天文学家已经想出了多种方法来解决最终的秒差距问题。这些机制通常已经涉及远远超出双对的相互轨道的第三个天体的存在。如果条件是合适的，只要刚好对准和速度，第三个伙伴能轻轻地拖在双上，伸展出它们的轨道。这种拉伸增加双黑洞轨道的椭圆度。随着增加的椭圆度，黑洞开始花越来越多它们的时间一起靠近。一旦它们达到一个临界距离，引力波关闭这个间隙，黑洞最终合并。

但这种场景需要一个对第三个同伴的精确配置，这可能不是足够的。基于引力波的所有观测，天文学家估计在宇宙中每立方千兆秒差距的体积内（约占可观测宇宙总体积的1/12000）每年约有15到38个之间的黑洞合并，而依赖于一个第三个同伴产生的机制产生不到这个数字的一半。

在预印本数据库arXiv上发表的一篇新论文中，研究人员提出一种黑洞来合并的新方法。它也用了一种有点特别的设置，但它比依赖一个遥远的第三个同伴远更通用。

设置从超大质量黑洞附近开始。这不是一个疯狂的想法，因为超大质量黑洞位于星系的中心，星系中挤满了恒星因此许多更小的黑洞。与星系中心附近的大多数天体一样，我们能可能的发现许多双黑洞懒洋洋环绕着中心超大质量的黑洞。

这张照片显示银河系中心的射手座A*黑洞。. (Image credit: EHT Collaboration, CC BY-SA)

该论文的作者发现了如果这个双相对于它围绕超大质量黑洞的轨道倾斜，有一个建立一个合并的机会。首先，双对需要进动，这意味着它们的轨道旋转轴随着时间摆动。如果这种进动的速率与环绕中央超大质量黑洞的周期相匹配，那么它的巨大引力将有规矩的拉在双上，造成它们的偏心率来增加并加强一个最终合并的机会。

但这种匹配只有当双环绕中央超大质量黑洞的轨道刚好是正确的能发生，而这必须是一个非常幸运的巧合。值得庆幸的是，作者发现了大自然能照顾到这一点。无论双黑洞被在哪里诞生，如果它们在超大质量黑洞的圆盘中，它们将慢慢地向内迁移。.

无论它们的起始轨道，它们将最终找到一个在那里它们的轨道周期与它们的进动周期匹配的距离。如果它们外挂在那个轨道上时间足够长，那么中央超大质量黑洞的引力将有足够的时间来增加偏心率。

作者发现了这是一个相当普遍的场景。通过运行多次黑洞属性和起始条件的模拟，他们发现了双黑洞常规的合并。

目前尚不清楚这是否是发生合并的主要机制，或者它是否只是众多方式之一。无论如何，这项工作展示黑洞的生活能是多么复杂以及它们能在黑暗中跳舞的多种方式。