中国科学家首次发现双黑洞在第三个天体旁“共舞”
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发布时间：2026-01-22 16:14:30
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文图/韩文标（中国科学院上海天文台）2015年9月14日，人类首次直接探测到双黑洞并合产生的引力波。其后的十年里，国际引力波探测组织已探测到逾100次引力波事件，其中绝大多数是双黑洞并合，即两个恒星级质量黑洞从相距数千公里互相绕转，通过引力波快速损失能量和角动量，在数秒内碰撞并合为一。
孤独的宇宙舞者：双黑洞如何相遇？在我们的想象中，这些宇宙中的双黑洞像是一对孤独的舞伴：它们在无垠的黑暗中相互吸引，绕转跳舞，历经数亿年的引力华尔兹，最终在一次惊心动魄的合并中化为一体，将时空的涟漪——引力波——传向宇宙的每一个角落。实际上，双黑洞如何接近彼此，近到引力波辐射开始主导它们的轨道变化，一直是科学家想要揭开的秘密。它们可能最初处于一对双星中，随着时间流逝，恒星相继死亡并演化为黑洞，可能需要数亿年时间才能靠近到引力波起作用的距离。科学家还提出，双黑洞可能并非天生一对，而是在密集的星团中“挤满了”四处乱撞的天体，两个黑洞被其他天体“踢来踢去”，最终组成一对。此外，还有第三种可能，即在超大质量黑洞的吸积盘上形成。事实上，韩文标和合作者早在2018年就提出过一种可能的场景——极端质量比旋近双星（b-EMRI），认为一对双黑洞被星系中心的超大质量黑洞捕获，形成一个“三人组”的设想。GW190814：一对“不般配”的宇宙搭档不过，对于非双星共同演化的形成渠道，科学家迄今没有找到确定的证据，观测到的仍是孤立的双黑洞并合事件。直到最近，中国科学院上海天文台科研人员通过仔细分析2019年8月14号的双黑洞并合事件GW190814，发现在这次“双人舞”的舞台边，或许还有一位隐形的“导演”在默默操控——第三个神秘的致密天体，甚至可能是一颗超大质量黑洞。这是科学家首次在双黑洞并合事件中找到第三个致密天体存在的有力证据，为破解双黑洞的身世之谜打开了新思路。GW190814之所以引起科学家注意，是因为它是一对质量差异极大的致密天体：一个约为太阳质量的23倍，另一个仅2.6倍——这可能是有史以来观测到的最轻的黑洞，或最重的中子星。这样的“胖瘦组合”在双黑洞系统中极为罕见，如同舞会上体型悬殊的舞伴，让人不禁追问：它们是如何走到一起的？隐藏的“导演”：第三者的“引力指纹”那么，要证明它们背后还有隐藏的“第三者”，必须找到它在引力波信号中留下的痕迹。研究团队想到了一种熟悉的物理现象——多普勒效应。日常生活中，如果一辆救护车朝你驶来，警笛声调会升高；驶离时，声调会降低。这是因为声波在你和声源的相对运动中被压缩或拉伸。引力波同样遵循多普勒效应——若双黑洞在并合瞬间正沿着视线方向高速运动（因为它们同时围绕第三个致密天体公转），引力波频率便会出现极其细微的变化。这种变化就是第三个天体留下的“引力指纹”。团队为此构建了一种包含视向加速度的新型引力波波形模板，并用贝叶斯推断方法对多个高信噪比的双黑洞事件进行了分析。结果显示，在GW190814的数据中，加入视向加速度的模型，比传统的“孤立双黑洞”模型解释力更强。模型的贝叶斯因子达到58∶1，在统计学上已构成强有力的证据，支持第三个致密天体的存在。这是国际上首次在双黑洞并合事件中发现第三个致密天体的明确迹象。此次发现表明第三种形成机制的存在：在超大质量黑洞或其他致密天体的引力场中，双黑洞更易受扰动而结合。这意味着在星系中心等极端引力环境中，双黑洞并合的频率可能超过此前预期。约10年后，随着下一代引力波探测器和空间引力波探测器的建成，人类将获得前所未有的观测能力：这些新设施将能探测更远、更微弱的引力波信号，甚至能直接捕捉双黑洞在超大质量黑洞附近公转时产生的低频引力波——那将是一首“宇宙三人舞”的协奏曲。
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