第一个“黑洞三重奏”可能以令人惊讶的温和方式形成

物理学家首次在太空中观测到“黑洞三重奏”。这个新系统距离地球约 8,000 光年，由一个中心黑洞组成，该黑洞正在吞噬一颗在其附近盘旋的小恒星。令人惊讶的是，第二颗恒星似乎也在绕着中心黑洞旋转，但距离更远。这一发现发表在 10 月 23 日发表在《自然》杂志上的一项研究中。

打出三垒安打

科学家发现的大多数黑洞似乎都是双星系统的一部分。这些系统由黑洞和次级物体（如恒星、密度更大的中子星或另一个黑洞）组成。双星系统然后相互旋转，并被黑洞的引力拉到一起。

对于这个新的黑洞三重星，还有一个额外的物体围绕着中心黑洞运行。距离较近的恒星大约每 6.5 天绕黑洞运行一次。作者估计，距离较远的伴星每 7 万年绕黑洞运行一次。

[相关：寻找宇宙中第一批恒星。]

黑洞似乎对如此遥远的物体有引力，这引发了一些关于黑洞起源的问题。科学家认为，黑洞是由超新星形成的——一颗垂死恒星的剧烈爆炸。在超新星爆发期间，恒星在坍缩成一个看不见的黑洞之前，会在最后一次爆发中释放出大量的能量和光。

如果这个新观测到的黑洞是由一颗典型的超新星产生的，那么它在最终坍缩之前释放的能量会踢走在其外围运行的松散物体。理论上，第二颗外层恒星不应该还在附近徘徊。

研究小组认为，黑洞是通过一种更温和的过程形成的——直接坍缩。在直接坍缩过程中，恒星只是向内塌陷，形成黑洞，而不会发生最后的剧烈爆发。像这样的温和起源不会真正扰乱任何松散结合的遥远物体。

由于新三重系统包含一颗非常遥远的恒星，该系统的黑洞可能就是通过这种较为温和的直接坍缩而诞生的。虽然天文学家已经观察了几个世纪的剧烈超新星，但这个新三重系统可能是黑洞通过这种较为温和的过程形成的首个证据。

“我们认为大多数黑洞是由恒星剧烈爆炸形成的，但这一发现有助于质疑这一观点，”研究合著者、麻省理工学院物理学家凯文·伯奇在一份声明中说。“这个系统对于黑洞演化来说非常令人兴奋，同时也引发了是否存在更多三重星系的问题。”

偶然发现

这一发现几乎是偶然的。物理学家们在查看一个名为 Aladin Lite 的天文观测资料库时发现了它，该资料库是由太空和世界各地的望远镜拍摄的。他们使用 Aladin Lite 搜索由不同望远镜以不同波长的能量和光拍摄的同一天空部分的图像。

最初，他们在银河系内寻找新黑洞的迹象。出于好奇，伯奇查看了 V404 Cygni 的图像，这是一个距离地球约 8,000 光年的黑洞。1992 年，V404 Cygni 成为太空中最早被证实为黑色的物体之一。从那时起，它已被记录在 1,300 多篇科学论文中，是我们研究最深入的黑洞之一。然而，这些研究都没有报道过这个奇怪的三重系统。

[相关： 15 亿个宇宙物体在有史以来最大的红外银河系图中熠熠生辉。]

在观察 V404 Cygni 的光学图像时，伯奇看到了两个彼此靠近的光斑。第一个光斑是黑洞和一颗在其附近旋转的内恒星。这颗恒星距离黑洞非常近，以至于它正在向黑洞本身释放一些物质并发出可见光。然而，第二个光斑很可能来自一颗之前从未被观测过的非常遥远的恒星。

伯奇说：“我们能够在这么远的距离上看到两颗不同的恒星，实际上意味着这两颗恒星之间的距离一定非常远。”

计算发现，外层恒星距离黑洞有 3,500 个天文单位 (AU)。一个天文单位是地球与太阳之间的距离。因此，外层恒星与黑洞的距离是我们与太阳距离的 3,500 倍，比冥王星与太阳的距离大 100 倍。

随后，研究小组开始思考外层恒星是否与黑洞和内层恒星都有关联。为了找到答案，研究小组将目光投向了盖亚卫星，该卫星十年来一直在跟踪银河系中所有恒星的运动。他们分析了盖亚过去 10 年的数据，发现内层和外层恒星的运动与一些附近的恒星相比是同步运动的。根据他们的计算，这种同步运动的概率约为千万分之一。

“这几乎肯定不是巧合或意外，”伯奇说。“我们看到两颗恒星相互跟随，因为它们被这根微弱的引力线连接在一起。所以这肯定是一个三重系统。”

我们去放（太空）风筝吧

团队随后开始思考这个系统是如何形成的。典型的超新星的剧烈爆炸应该在很久以前就将这颗恒星踢开。

“想象一下，你正在拉风筝，你拉的不是一根结实的线，而是一张蜘蛛网，”伯奇说。“如果你拉得太紧，蜘蛛网就会断掉，风筝就会掉下来。引力就像这条几乎没被束缚住的线，非常脆弱，如果你对内层双星做任何剧烈的改变，你就会失去外层恒星。”

为了验证风筝弦理论，伯奇进行了计算机模拟，以了解这种三重系统如何演化并保留外部恒星。

[相关：迄今为止发现的最大黑洞喷流横跨 140 个银河系。]

每次模拟开始时，他都会引入三颗恒星。第三颗恒星在变成黑洞之前是黑洞。然后他进行了数万次模拟。每次模拟都对第三颗恒星如何变成黑洞并影响其他两颗恒星的运动给出了略有不同的场景。例如，他模拟了一颗超新星，并改变了能量的大小和所有能量的传播方向。他还模拟了直接坍缩的场景，其中第三颗恒星塌陷形成黑洞，而不释放任何能量。

“绝大多数模拟表明，让这个三重体发挥作用的最简单方法是通过直接坍缩，”伯奇说。

这颗额外的外星也揭示了该系统的年龄。研究小组观察到，外星正在变成一颗红巨星，这是恒星生命末期发生的阶段。根据这一转变，他们认为外星大约有 40 亿年的历史。由于邻近的恒星诞生时间大致相同，因此研究小组认为这个黑洞三重星也有 40 亿年的历史。

“我们以前从未对老黑洞进行过这样的研究，”伯奇说。“现在我们知道天鹅座 V404 是三重黑洞的一部分，它可能是由直接坍缩形成的，而且它形成于大约 40 亿年前，这要归功于这一发现。”