造黑洞的“工厂”

Sora

艺术家对活跃银河核的绘制—由白炽气体构成的旋转圆盘进入中央超大质量黑洞之中

在2019年的第三次观测中，LIGO（激光干涉仪引力波天文台）宣布了数十个初步用于天文观测的引力波“候选者”。

新的观测数据，令科学家感到疑惑。黑洞质量可以变得特别大—在大多数大型星系的核心位置，都有数十亿个太阳般质量的“巨兽”潜伏。

问题是：它们怎么会变得如此巨大？它们的大部分质量一定是在诞生后获得的，毕竟吸收了气体和物质碎片。一些理论表明，合并或合并链，可能会形成超大质量黑洞的初始“种子”。

但是，黑洞在孤寂的太空中进行“配对”并不容易。天体物理学家依然在苦苦思索此种情况产生的前提。

黑洞装配线

一种新兴理论认为，重量级分子聚集在巨大星系的核心附近。在那里，剧烈的白炽气体以超大质量黑洞为中心盘旋。得益于这种无处不在的气体，所谓的活动星系核（AGN）可以像工厂一样，利用较小黑洞“建造”出大黑洞。

如果是这样的话，诸如LIGO之类的引力波探测器，应该能够找出这些膨胀巨人一级级组装起来的迹象。尽管检测到的数量仍然太少，但一些研究人员将最近的两次大规模合并，看作是AGN促成的黑洞融合。這样一来，利用引力波不仅能研究黑洞，还可以研究诞生它们的恒星和星系。

由爆炸恒星的残余物产生的一般黑洞，通常会出现在相对于AGN气体盘平面倾斜的轨道上。每次它们浸入气体盘时，摩擦都会使它们减速，并使其路径与气体盘合成一条直线。一旦嵌入，不均匀的压力可能会将这些黑洞从最初分散的位置引导到一个特殊环中，这种诱捕过程类似于造了一个“陷阱”。

佛罗里达大学LIGO合作成员伊姆雷·巴托斯估计，这些星系“陷阱”可以迅速收集成千上万个黑洞，其中许多黑洞将变得足够近，从而被迫“配对”。同时，气体产生的摩擦将使它们比在空旷的空间中碰撞的时间更加提前。巴托斯说，“它们将被迫合并在一起”，就像“一条黑洞装配生产线，我们要在黑洞装配生产线上一个接一个地添加黑洞”。

证据不足

天体物理学家学家同时也在关注巨大黑洞的合并事件。近日，天体物理学家宣布发现了一个看起来与伴侣恒星一起诞生的巨大黑洞。目前关于该黑洞的质量还有争议，有数据显示其大约为70个太阳质量，如果这一猜测成立，那么过去巨大黑洞以50个太阳质量为“标准”，可能就不太准确了。

另外，球状星团是另一个可能构成异常重且快速旋转的黑洞的“工厂”。在这些恒星丰富的地区，黑洞可能会形成密集的集群，有时还会相互碰撞。有天文学家在最近的研究中发现，这种碰撞所产生的力，很可能会使球状星团中的大多数星体成对成对飞出，从而阻止它们找到可以合并的对象。

经过多年的理论推测，一些研究人员发现一个由数量众多星团构成的星体开始暴露迹象的线索。巴托斯和他的同事在2019年11月的《物理评论快报》中发表了这一“事件”—LIGO目录中，质量最大的合并事件GW170729，正是AGN气体盘导致的合并。他们预测，暴露的“星体”中一个黑洞质量约为50个太阳，在合并前它们以目前最高速度的40%转动，暗示了早先的碰撞才使它们旋转。

另一个由AGN驱动的候选事件出现在10月。根据尚未发表的同行评审的预印本研究报告，这个候选合并事件被称为GW170817A，质量约为56个太阳，合并前旋转速度为最大值的50%。它与AGN碰撞的预测匹配程度，甚至比GW170729更接近。

这些星系“陷阱”可以迅速收集成千上万个黑洞。

但是，没有一个候选事件是AGN“黑洞装配线”的直接证据。GW170817A仅在LIGO的两个探测器之一中出现—潜在的迹象表明，这很可能是个虚假警报，是由地球上的噪声污染而不是遥远的碰撞引起的。

此外，由于宇宙中只有一小部分恒星位于AGN中，因此巴托斯的小组认为，这两次合并的暗示性质，很可能反映的是正常的“双子”黑洞。

其他研究人员也强调，需要更多数据以及更好地预测，才能最终证明这种罕见碰撞类型或其他碰撞类型的真实情况。

黑洞分类法

不管人们有没有能力将“一次性”的双星系统与AGN“黑洞装配线”以及其他用于黑洞合并的推定生产机制区分开，随着LIGO目录数量的激增，基于自旋和质量类别的区分，已经变得更加清晰。

巴托斯认为，基于光波而非引力波的传统天文学，也可能对此有所帮助。其与已知AGN一致的“引力坠毁”情况，将为研究提供进一步的指引。

在建立新的黑洞分类法的过程中，天体物理学家已经在集思广益。加拿大理论天体物理研究所的凯特琳·布雷维克说，光揭示了星系是由什么组成的，但是引力波可能会揭示它更微妙的内在动力。她说，“如果你在这些气体盘中嵌入了黑洞，那么它们就像是嵌入这些气体盘的重力探测器一样”，会揭示星系的质量和运动。

尽管这些“探测器”尚未成真，但LIGO探测出来的旋转大黑洞，使巴托斯感觉到“目标”已经不再遥远。他说：“我曾习惯于预测未来。有了这些，基本上可以再现我们预测的黑洞，已经非常令人兴奋了。”