嬰兒黑洞如何發育？增肥靠吃「剩飯」！

體型嬌小的嬰兒黑洞如何生長？根據《天體物理學快報》公布的一項研究，它們可能靠吃星系中央超大質量黑洞的「剩飯」不斷壯大身軀。研究指出這些黑洞很容易被活躍星系核的旋轉物質盤捕獲。在逐漸靠近旋轉盤時，它們靠吸食沿途物質增肥，在質量達到20個太陽後對撞合併。

被緻密氣體-塵埃盤環繞的星系中央超大質量黑洞

2017年，三名美國物理學家因在探測引力波過程中扮演的角色，共享諾貝爾物理學獎。引力波是由宇宙內一些最猛烈事件導致的時空漣漪。此次探測到的引力波信號來自於黑洞對撞。

迄今為止，科學家已經6次探測到引力波信號，其中有5次來自於恆星級黑洞的合併，1次來自於中子星合併。在造就這些引力波的恆星級黑洞中，絕大多數的質量達到太陽的20倍。這讓天文學家陷入困惑之中，因為恆星級黑洞的質量通常在太陽的10到15倍之間。黑洞由大質量恆星塌陷形成。

引力波是時空結構泛起的漣漪

由兩個緻密天體合併導致，例如黑洞或者中子星。這種漣漪的傳播速度達到光速

合併前，這些質量較小的黑洞如何「增肥」？過去，科學家就懷疑這些黑洞的身軀超過普通恆星級同類，因為它們的前身是缺乏金屬或者氫和氦以外元素的巨恆星。貧金屬恆星產生的太陽風較弱，塌陷成黑洞時能夠保住絕大多數物質。

恆星級黑洞的「增肥」方式或許不止一種且與低金屬「飲食」無關。論文中，科學家概述了恆星級黑洞的一種生長途徑：吸食星系中央超大質量黑洞周圍的物質。這種新機制有助於科學家預測新的引力波來源。

黑洞吸食伴星的氣體

天文學家知道大部分大型星系的中央存在超大質量黑洞。在這些怪獸級黑洞中，很多基本上處於休眠狀態，無論是吸食的物質還是放射的光線都少得可憐。不過，某些超大質量黑洞被一個緻密的氣體-塵埃盤環繞。在旋向黑洞時，盤內的物質聚集在一起。這個旋轉盤產生驚人摩擦，導致盤內物質放射出明亮的光芒。在所謂的活躍星系核，這種輻射盤異常明亮。

銀河系中央潛伏著一個超大質量黑洞

無數恆星棲身於盤外，很多最終塌陷成恆星級黑洞。根據這項新研究，附近的恆星級黑洞很容易成對落入活躍星系核的物質盤。在螺旋靠近這個盤時，它們吸食沿途的物質，質量從7個太陽增肥到20個太陽，而後對撞合併。根據黑洞合併產生的引力波信號，兩個合併黑洞的質量在20個太陽左右。不過，它們最初的質量並不大。

激光干涉引力波天文台（LIGO），用於探測引力波

通過這種方式增肥時，恆星級黑洞的所處環境還會導致它們的旋轉軸同步，就像兩個一前一後旋轉的陀螺。根據這項新研究，在兩個黑洞最終合併時，這個系統會以引力波的形式釋放大約10%的能量。如果兩個黑洞對撞合併時的方向隨機，所釋放的引力波能量只有前者的三分之一。這意味著當前的技術能夠探測到這種合併，例如激光干涉引力波天文台（LIGO）。

天鵝座X-1黑洞藝術概念圖，正在吸食藍星的物質

這些黑洞可能釋放大量X射線、伽瑪射線或者無線電波，提供與引力波信號對應的電磁信號，進而幫助科學家揭示隱藏特徵的重要細節。2017年，天文學家觀測到兩顆中子星合併產生的引力波和伽瑪射線。卡內基天文台的天文學家喬什·希蒙當時表示：「有些東西你能夠藉助引力波發現，但卻永遠無法藉助電磁波看到，反之亦然。將二者結合有助於我們進一步洞察這些極端天體。」

半人馬座A，內部潛伏著一個特大質量黑洞

LIGO天文台的觀測發現或許可以用這種新的黑洞生長機制解釋，當然也可用貧金屬恆星解釋，又或者二者皆有可能。目前，科學家尚無法得出一個確切答案。LIGO和它的姊妹探測器「處女座」正按計划進行升級，2019年初將再次啟動。重裝上陣後，天文學家將搜尋能夠與電磁觀測結果匹配的引力波。這些多信使觀測可能成為未來天文學研究的關鍵，值得科學家密切關注。

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