“黑洞三重体”的发现可能是“温和”黑洞形成的第一个直接证据 _黑洞

艺术家对黑洞X射线双星天鹅座V404的再现。图片来源：豪尔赫·卢戈
据麻省理工学院（Jennifer Chu）：迄今为止探测到的许多黑洞似乎都是一对黑洞的一部分。这些双星系统包括一个黑洞和一个次级物体，如恒星、密度更大的中子星或另一个黑洞，它们在黑洞的引力作用下相互盘旋，形成一个紧密的轨道对。
现在，关于天鹅座V404黑洞的一个令人惊讶的发现正在扩展黑洞、它们可以容纳的物体以及它们形成的方式。
在《自然》杂志上发表的一项研究中，麻省理工学院和加州理工学院的物理学家报告称，他们首次观测到了“黑洞三重体” 。
新系统中有一个中心黑洞，每6.5天吞噬一颗在黑洞附近盘旋的小恒星，这种配置类似于大多数双星系统。但令人惊讶的是，第二颗恒星似乎也在围绕黑洞旋转，尽管距离要远得多。物理学家估计，这个遥远的伴星每7万年绕着黑洞运行一次。
黑洞似乎对如此遥远的物体具有引力，这引发了人们对黑洞本身起源的质疑。黑洞被认为是由一颗垂死恒星的剧烈爆炸形成的，这一过程被称为超新星，恒星在最后一次爆发中释放出大量的能量和光，然后坍缩成一个看不见的黑洞。
然而，该团队的发现表明，如果新观测到的黑洞是由一颗典型的超新星引起的，那么它在坍缩之前释放的能量将踢走其外围任何松散的物体。那么，第二颗外星不应该还在附近徘徊。
相反，研究小组怀疑黑洞是通过一个更温和的“直接坍缩”过程形成的，在这个过程中，一颗恒星只是在自身中坍缩，形成一个没有最后一次戏剧性闪光的黑洞。如此温和的起源几乎不会打扰任何松散的、遥远的物体。
因为新的三重系统包括一颗非常遥远的恒星，这表明该系统的黑洞是通过更温和、直接的坍缩而诞生的。尽管天文学家几个世纪以来一直观察到更剧烈的超新星，但该团队表示，新的三重系统可能是由这种更温和的过程形成的黑洞的第一个证据。
“我们认为大多数黑洞是由恒星的剧烈爆炸形成的，但这一发现有助于质疑这一点，”研究作者、麻省理工学院物理系Pappalardo研究员Kevin Burdge说。“这个系统对黑洞的进化来说是非常令人兴奋的，它也提出了是否还有更多三元组的问题。”
该研究在麻省理工学院的合著者是Erin Kara、Claude Canizares、Deepto Chakrabarty、Anna Frebel、Sarah Millholland、Saul Rappaport、Rob Simcoe和Andrew Vanderburg，以及加州理工学院（Caltech）的Kareem El Badry 。
串联运动
三重黑洞的发现几乎是偶然的。物理学家在查看Aladin Lite时发现了它，这是一个天文观测库，由太空和世界各地的望远镜汇总而成。天文学家可以使用在线工具搜索天空同一部分的图像，这些图像是由调谐到不同波长的能量和光的不同望远镜拍摄的。
该团队一直在银河系内寻找新黑洞的迹象。出于好奇，Burdge查看了天鹅座V404的图像，这是一个距离地球约8000光年的黑洞，是1992年最早被确认为黑洞的物体之一。
自那时起，天鹅座V404已成为研究最为深入的黑洞之一，并被记录在1300多篇科学论文中。然而，这些研究都没有报告Burdge和他的同事所观察到的情况。
当他观察天鹅座V404的光学图像时， Burdge看到了两个看起来很近的光点。第一个斑点是其他人确定的黑洞和一颗内部紧密轨道恒星。这颗恒星距离我们如此之近，以至于它正在将一些物质释放到黑洞上，并发出Burdge可以看到的光。
然而，到目前为止，科学家们还没有仔细研究第二团光。Burdge断定，第二道光很可能来自一颗非常遥远的恒星。
“事实上，我们可以在这么远的距离上看到两颗独立的恒星，这意味着这些恒星必须相距很远， ”Burdge说，他计算出外恒星距离黑洞3500天文单位（AU）（1 AU是地球和太阳之间的距离）。
换句话说，外恒星距离黑洞的距离是地球距离太阳的3500倍。这也相当于冥王星和太阳之间距离的100倍。
然后想到的问题是，外恒星是否与黑洞及其内恒星有关。为了回答这个问题，研究人员研究了盖亚，这是一颗自2014年以来精确跟踪银河系中所有恒星运动的卫星。
该团队分析了盖亚过去10年数据中内外恒星的运动，发现与其他邻近恒星相比，这些恒星完全是同步运动的。他们计算出，这种串联运动的几率大约是1000万分之一。
“这几乎可以肯定不是巧合或意外，”Burdge说。“我们看到两颗恒星相互跟随，因为它们被这股微弱的引力线连接在一起。所以这一定是一个三重系统。”
拉绳子
那么，这个体系是如何形成的呢？如果黑洞是由一颗典型的超新星产生的，那么剧烈的爆炸早就把外恒星踢走了。
“想象一下，你在拉风筝，而不是一根结实的绳子，你是用拉的，”Burdge说。“如果你用力拉，网会断裂，你会失去风筝。重力就像这根几乎没有束缚的绳子，非常弱，如果你对内部双星系统做任何戏剧性的事情，你就会失去外部恒星。”
然而，为了真正验证这一想法，Burdge进行了模拟，看看这样一个三重系统是如何进化并保留外恒星的。
在每次模拟开始时，他都会引入三颗恒星（第三颗是黑洞，在它变成黑洞之前）。然后，他进行了数万次模拟，每一次都有一个略有不同的场景，说明第三颗恒星如何变成黑洞，并随后影响其他两颗恒星的运动。
例如，他模拟了一颗超新星，改变了它释放的能量的量和方向。他还模拟了直接坍缩的场景，在这种场景中，第三颗恒星只是坍塌形成了一个黑洞，而没有释放任何能量。
Burdge说：“绝大多数模拟表明，使这种三重作用最简单的方法是通过直接坍塌。” 。
除了提供黑洞起源的线索外，外恒星还揭示了该系统的年龄。物理学家观察到，外恒星恰好正在变成红巨星——这是一个发生在恒星生命末期的阶段。
基于这一恒星转变，研究小组确定外恒星的年龄约为40亿年。考虑到邻近恒星大约在同一时间出生，该团队得出结论，黑洞三重体也有40亿年的历史。
Burdge说：“我们以前从未对一个老黑洞做到过这一点。” 。“现在我们知道天鹅座V404是三重星系的一部分，它可能是由直接坍缩形成的，由于这一发现，它形成于大约40亿年前。”