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作者：茍利軍

黑洞一直是大眾喜愛的話題。在宇宙中，恒星級黑洞由大質(zhì)量恒星的核心坍縮形成，它常通過劇烈的超新星爆發(fā)或較溫和的“直接坍縮”產(chǎn)生。前者會導(dǎo)致黑洞或中子星獲得比較明顯的“出生踢”，也就是通過黑洞在誕生時的不對稱爆炸時獲得額外速度。然而，黑洞是否普遍具有出生踢及其對周圍天體的影響仍是未解之謎。最近，科學(xué)家對天鵝座V404系統(tǒng)的研究首次揭示了恒星級黑洞的三星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為經(jīng)典黑洞形成理論帶來新挑戰(zhàn)。大家好，我是中國科學(xué)院國家天文臺的茍利軍，今天我們就來聊聊最近的黑洞發(fā)現(xiàn)。

我們剛剛提到，恒星級黑洞起源的兩種主要模型是超新星爆發(fā)和直接坍縮。超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星在耗盡核燃料后，由引力坍縮觸發(fā)的劇烈爆發(fā)。由于不對稱性，它產(chǎn)生強烈的沖擊波，通常導(dǎo)致黑洞或中子星獲得不小的“出生踢”，英文叫做natal kick。然而，這種爆發(fā)也會將周圍天體拋離系統(tǒng)。相對而言，直接坍縮是一種更溫和的坍縮過程，不會產(chǎn)生劇烈的沖擊波或踢動，因而可能保持附近的伴星在引力作用下相對穩(wěn)定。

宇宙中大多數(shù)已知黑洞系統(tǒng)是雙星系統(tǒng)，即黑洞與伴星共存于一個引力束縛的結(jié)構(gòu)中。比如最早發(fā)現(xiàn)的黑洞雙星系統(tǒng)天鵝座X-1系統(tǒng)，它就是典型的黑洞伴星雙星系統(tǒng)。雙星系統(tǒng)的廣泛存在為理解黑洞的演化提供了線索，但三星系統(tǒng)十分罕見，比如我們所熟悉的比鄰星就處于一個三星系統(tǒng)當(dāng)中，不過對于包含黑洞的三重系統(tǒng)很是少見。不過，就在最近的10月23日，知名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了一項研究成果，天文學(xué)家們首次確認天鵝座V404就是一個包含黑洞的三星系統(tǒng)。

天鵝座V404位于全天88個星座的天鵝座當(dāng)中，距地球約7800光年，之前通常被認為是一個典型的低質(zhì)量X射線雙星，由一個黑洞和一顆靠近的并且質(zhì)量小于太陽質(zhì)量的伴星構(gòu)成。該伴星緊密圍繞黑洞運行，軌道周期僅約6.5天。然而，最新觀測發(fā)現(xiàn)，除了之前所認為的系統(tǒng)之外，該系統(tǒng)中還存在一顆距離黑洞約3500天文單位的遙遠伴星。這使得天鵝座V404成為一個層級的三星系統(tǒng)：黑洞與近距離伴星組成核心雙星，而遠距離伴星則繞這一核心雙星運行。這個結(jié)構(gòu)很是罕見，且核心雙星的黑洞在形成時沒有因出生踢而將遠距離伴星驅(qū)散，顯示黑洞可能形成于低踢動或無踢動的坍縮過程。研究顯示該黑洞的踢動速度低于5公里/秒，這不足以使遠距離伴星脫離系統(tǒng)。由此推測，該黑洞可能通過直接坍縮過程形成，其前身恒星并未經(jīng)歷劇烈的超新星爆發(fā)，而是溫和地坍縮為黑洞。這種低出生踢使黑洞形成時不會擾動外層伴星的軌道，支持了直接坍縮模型。在這里需要說明的是，幾年之前，我們對天鵝座X1進行研究的時候，也發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1的前身星也是未經(jīng)歷劇烈的超新星爆發(fā)過程，只拋出了極少的物質(zhì)，最后坍縮形成了天鵝座X-1的黑洞。從這一點來說，兩個黑洞的形成過程是類似的。

研究團隊還發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的遠距離伴星已經(jīng)從主序星階段演化離開，暗示系統(tǒng)形成于30至50億年前。黑洞在形成后的漫長時間內(nèi)從核心伴星中吸積了約0.5個太陽質(zhì)量的物質(zhì)，使核心雙星逐漸演化成今天的狀態(tài)。這種穩(wěn)定的層級三星結(jié)構(gòu)符合低出生踢理論，進一步驗證了黑洞可以通過直接坍縮形成。

天鵝座V404的發(fā)現(xiàn)對經(jīng)典黑洞形成理論提出了深刻挑戰(zhàn)。根據(jù)傳統(tǒng)的超新星爆發(fā)模型，大質(zhì)量恒星形成黑洞時會伴隨劇烈的沖擊波，使得周圍的恒星或其他天體難以保持引力束縛。而天鵝座V404的遠距離伴星在黑洞形成過程中未受劇烈擾動，表明該黑洞未經(jīng)歷顯著的“出生踢”。這意味著直接坍縮模型可以適用于解釋恒星級黑洞低出生踢的特性。

此外，天鵝座V404的層級三重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持了一種涉及三體演化的低質(zhì)量X射線雙星形成模型。在該模型中，遠距離伴星通過引力相互作用促使核心雙星軌道逐漸變窄，最終形成緊密的低質(zhì)量X射線雙星。這種引力相互作用會使內(nèi)層軌道逐漸變窄，從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

天鵝座V404的發(fā)現(xiàn)為黑洞形成機制和演化路徑的研究提供了寶貴的新見解。該發(fā)現(xiàn)表明，恒星坍縮黑洞可能通過直接坍縮形成，并具有極小的“出生踢”。這一過程可能在宇宙中比之前預(yù)期的更為普遍。而直接坍縮理論在解釋黑洞低踢動特性方面展示了優(yōu)勢，揭示了恒星級黑洞形成機制的多樣性。

未來更多的觀測將幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其他類似的三重黑洞系統(tǒng)，為黑洞形成和演化模型提供更多支持。天鵝座V404的獨特性不僅讓我們重新審視黑洞的形成和演化過程，也為理解宇宙中黑洞系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了前所未有的洞察。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：茍利軍

審核：韓文標(biāo) 中科院上海天文臺研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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