在浩瀚的宇宙深處，一場(chǎng)持續(xù)了數(shù)億年的引力芭蕾正在上演。兩個(gè)黑洞在彼此的引力作用下螺旋接近，最終碰撞融合，釋放出驚人的能量漣漪——引力波。自2015年人類首次探測(cè)到引力波以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)記錄了超過(guò)100次這樣的宇宙事件。

然而，最新的研究表明，有些雙黑洞并合可能并非孤立發(fā)生，而是在第三個(gè)致密天體的“注視”下完成的。近期，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)的韓文標(biāo)研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了這種“三人舞蹈”的確鑿證據(jù)，為理解雙黑洞的形成和演化機(jī)制打開了全新的窗口。

雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近并合示意圖

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)）

引力波天文學(xué)的新紀(jì)元

2015年9月14日，人類歷史上首次直接探測(cè)到了引力波信號(hào)。這個(gè)被命名為GW150914的事件，來(lái)自于13億光年外兩個(gè)分別為36倍和29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合。這一突破性發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了愛因斯坦在1916年提出的廣義相對(duì)論預(yù)言，也標(biāo)志著引力波天文學(xué)時(shí)代的到來(lái)。

引力波是時(shí)空本身的漣漪，當(dāng)大質(zhì)量天體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生。想象一下，在平靜的湖面上投入一顆石子，會(huì)激起一圈圈漣漪向外擴(kuò)散。類似地，當(dāng)兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)并最終碰撞時(shí)，會(huì)在時(shí)空中激起漣漪，以光速向外傳播。這些漣漪攜帶著關(guān)于源天體質(zhì)量、自旋、距離等豐富信息，為我們提供了研究宇宙極端天體的全新手段。

LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）、Virgo和KAGRA組成的國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)精密的激光干涉儀來(lái)探測(cè)這些極其微弱的時(shí)空擾動(dòng)。這些探測(cè)器的靈敏度令人驚嘆——它們能夠測(cè)量出比質(zhì)子直徑還要小一千倍的長(zhǎng)度變化。正是憑借這種超高精度，科學(xué)家們得以窺探宇宙中最激烈的天體物理過(guò)程。

編輯蟹狀星云，藍(lán)色部分為錢德拉X射線天文臺(tái)拍攝的X射線圖像，紅色部分為可見光圖像，其星云中心附近存在一顆年輕的脈沖星PSR J0534+2200，極有可能會(huì)被證實(shí)為引力波源的天體之一。

（圖片來(lái)源：維基百科）

雙黑洞形成的未解之謎

盡管引力波探測(cè)取得了巨大成功，但雙黑洞系統(tǒng)的起源仍然是天文學(xué)中的一個(gè)重要謎題。目前，主流理論提出了幾種可能的形成途徑：

第一種是雙星演化模型。在這個(gè)場(chǎng)景中，兩顆大質(zhì)量恒星組成雙星系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化，先后坍縮成黑洞。這個(gè)過(guò)程涉及復(fù)雜的恒星演化、質(zhì)量轉(zhuǎn)移和超新星爆發(fā)等物理過(guò)程。然而，這種模型預(yù)測(cè)的雙黑洞質(zhì)量比通常較為接近，難以解釋一些質(zhì)量相差懸殊的系統(tǒng)。

第二種是動(dòng)力學(xué)形成模型。在密集的星團(tuán)環(huán)境中，黑洞可能通過(guò)引力相互作用結(jié)合形成雙黑洞。這種三體或多體相互作用可以產(chǎn)生各種質(zhì)量組合的雙黑洞系統(tǒng)，但形成效率相對(duì)較低。

第三種，也是最近備受關(guān)注的，是活動(dòng)星系核（AGN）吸積盤模型。在星系中心超大質(zhì)量黑洞周圍的吸積盤中，恒星級(jí)黑洞可能通過(guò)氣體動(dòng)力學(xué)作用而配對(duì)。這個(gè)環(huán)境提供了獨(dú)特的物理?xiàng)l件，使得原本不太可能相遇的黑洞能夠形成雙星系統(tǒng)。

NASA超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬得到的黑洞雙星開始合并的情形

（圖片來(lái)源：維基百科）

GW190814：一個(gè)特殊的引力波事件

2019年8月14日，LIGO和Virgo探測(cè)到了一個(gè)不同尋常的引力波信號(hào)——GW190814。這個(gè)事件之所以引人注目，是因?yàn)樗婕暗膬蓚€(gè)天體質(zhì)量相差巨大：主天體約23倍太陽(yáng)質(zhì)量，而次天體僅約2.6倍太陽(yáng)質(zhì)量，質(zhì)量比接近10:1。

如此懸殊的質(zhì)量比在傳統(tǒng)的雙星演化模型中極難形成。這引發(fā)了科學(xué)家們的強(qiáng)烈興趣：這個(gè)系統(tǒng)是如何形成的？它的演化歷史又是怎樣的？更重要的是，這種極端質(zhì)量比系統(tǒng)的存在，是否暗示著某種全新的形成機(jī)制？

GW190814的另一個(gè)特點(diǎn)是其較長(zhǎng)的可觀測(cè)時(shí)間。由于次天體質(zhì)量較小，系統(tǒng)的軌道演化相對(duì)緩慢，使得引力波信號(hào)在LIGO頻段內(nèi)持續(xù)了更長(zhǎng)時(shí)間。這為精確測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)提供了寶貴機(jī)會(huì)，也為尋找可能的環(huán)境效應(yīng)創(chuàng)造了條件。

視向加速度：第三天體存在的證明

韓文標(biāo)研究團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于，他們考慮了一個(gè)此前被忽視的效應(yīng)——視向加速度。如果雙黑洞系統(tǒng)在第三個(gè)致密天體（如另一個(gè)黑洞或超大質(zhì)量黑洞）附近并合，那么整個(gè)系統(tǒng)會(huì)圍繞第三天體做軌道運(yùn)動(dòng)。這種軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生沿觀測(cè)者視線方向的加速度，通過(guò)多普勒效應(yīng)改變引力波的頻率。

這個(gè)效應(yīng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的類比來(lái)理解。想象一輛救護(hù)車在環(huán)形跑道上行駛，同時(shí)發(fā)出警笛聲。站在跑道中心的觀察者會(huì)聽到警笛聲的音調(diào)周期性變化——當(dāng)救護(hù)車朝向觀察者行駛時(shí)音調(diào)升高，遠(yuǎn)離時(shí)音調(diào)降低。類似地，如果雙黑洞系統(tǒng)在繞第三天體運(yùn)動(dòng)，其發(fā)出的引力波頻率也會(huì)出現(xiàn)類似的調(diào)制。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了包含視向加速度效應(yīng)的引力波波形模板。這個(gè)模板在標(biāo)準(zhǔn)的雙黑洞并合波形基礎(chǔ)上，加入了由加速度引起的相位修正項(xiàng)。通過(guò)貝葉斯推斷方法，他們可以從觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出視向加速度的大小和方向。

貝葉斯分析：用數(shù)據(jù)說(shuō)話

貝葉斯推斷是現(xiàn)代天文學(xué)數(shù)據(jù)分析的核心工具。它基于貝葉斯定理，通過(guò)結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)和觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出參數(shù)的后驗(yàn)概率分布。在引力波數(shù)據(jù)分析中，貝葉斯方法能夠同時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的多個(gè)參數(shù)，并給出它們的不確定性。

對(duì)于GW190814，研究團(tuán)隊(duì)比較了兩個(gè)模型：一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的孤立雙黑洞模型，另一個(gè)是包含視向加速度的模型。貝葉斯因子是衡量?jī)蓚€(gè)模型相對(duì)可能性的指標(biāo)。如果貝葉斯因子大于1，說(shuō)明數(shù)據(jù)更支持包含視向加速度的模型。

分析結(jié)果令人振奮：GW190814的貝葉斯因子高達(dá)58:1，強(qiáng)烈支持存在視向加速度的模型。測(cè)得的視向加速度約為0.0015倍光速每秒，誤差范圍為±0.0008。這個(gè)數(shù)值雖然看似很小，但在10秒的信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致約0.015倍光速的速度變化，對(duì)應(yīng)的多普勒頻移約為0.8%。

更重要的是，包含視向加速度的模型顯著提高了信號(hào)的信噪比。這表明，考慮環(huán)境效應(yīng)不僅在理論上有意義，還能改善我們對(duì)引力波信號(hào)的理解和參數(shù)估計(jì)精度。

b-EMRI：一個(gè)可能的天體物理場(chǎng)景

早在2018年，韓文標(biāo)等人就提出了b-EMRI（binary-Extreme Mass Ratio Inspiral）的概念。在這個(gè)模型中，一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)被超大質(zhì)量黑洞俘獲，形成一個(gè)分層的三體系統(tǒng)。雙黑洞在內(nèi)軌道上相互繞轉(zhuǎn)，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)在外軌道上繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)動(dòng)。

b-EMRI模型示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這種配置在活動(dòng)星系核環(huán)境中可能自然形成。超大質(zhì)量黑洞周圍的吸積盤（黑洞周圍的氣體和塵埃盤）為恒星級(jí)黑洞的遷移和配對(duì)提供了理想場(chǎng)所。氣體的粘滯作用可以有效地消耗軌道能量，使原本分散的黑洞逐漸向內(nèi)遷移并可能相遇。一旦兩個(gè)黑洞足夠接近，引力相互作用將主導(dǎo)它們的演化，最終導(dǎo)致并合。

b-EMRI系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特之處是它能夠產(chǎn)生多頻段引力波。雙黑洞的并合產(chǎn)生高頻引力波（LIGO頻段），而整個(gè)系統(tǒng)繞超大質(zhì)量黑洞的軌道運(yùn)動(dòng)則產(chǎn)生低頻引力波（LISA頻段）。這種多信使特性使得b-EMRI成為未來(lái)空間引力波探測(cè)的重要目標(biāo)。

對(duì)其他引力波事件的啟示

研究團(tuán)隊(duì)不僅分析了GW190814，還對(duì)其他幾個(gè)高信噪比的引力波事件進(jìn)行了類似分析。結(jié)果顯示，大多數(shù)事件的貝葉斯因子接近1，表明它們更可能是孤立的雙黑洞并合。這個(gè)結(jié)果本身也很有意義——它說(shuō)明并非所有雙黑洞都在復(fù)雜環(huán)境中形成，傳統(tǒng)的形成通道仍然是主流。

然而，GW190814的特殊性提醒我們，宇宙中雙黑洞的形成途徑可能比我們想象的更加多樣。隨著引力波探測(cè)器靈敏度的提升和觀測(cè)數(shù)量的增加，我們有望發(fā)現(xiàn)更多類似的事件，從而更全面地理解雙黑洞的形成和演化。

未來(lái)的觀測(cè)和下一代引力波探測(cè)器（如愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡和宇宙探索者）將大大提高我們探測(cè)環(huán)境效應(yīng)的能力?？臻g引力波探測(cè)器（如LISA、太極和天琴）則能夠在更低的頻段觀測(cè)雙黑洞系統(tǒng)的早期演化，可能直接看到它們?cè)诘谌祗w引力場(chǎng)中的軌道運(yùn)動(dòng)。

理論與觀測(cè)的完美結(jié)合

這項(xiàng)研究展示了理論預(yù)言和觀測(cè)分析緊密結(jié)合的力量。從2018年提出b-EMRI概念，到開發(fā)包含環(huán)境效應(yīng)的波形模板，再到在實(shí)際數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)第三天體存在的證據(jù)，整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了現(xiàn)代天文學(xué)研究的典型特征：理論指導(dǎo)觀測(cè)，觀測(cè)驗(yàn)證和完善理論。

這項(xiàng)工作展示了中國(guó)科學(xué)家在引力波天文學(xué)領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)。隨著中國(guó)自己的引力波探測(cè)計(jì)劃（如太極和天琴）的推進(jìn)，我們有理由期待在這個(gè)領(lǐng)域看到更多激動(dòng)人心的突破性成果。

展望未來(lái)

GW190814可能只是冰山一角。隨著引力波天文學(xué)的快速發(fā)展，我們正在揭示一個(gè)前所未見的宇宙圖景。雙黑洞、中子星，以及可能存在的其他致密天體，在引力的主導(dǎo)下演繹著各種奇妙的宇宙舞蹈。

第三天體的發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對(duì)雙黑洞形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，還為研究極端引力環(huán)境提供了新的實(shí)驗(yàn)室。在這些環(huán)境中，廣義相對(duì)論的預(yù)言可以得到最嚴(yán)格的檢驗(yàn)，新物理的跡象也可能首先顯現(xiàn)。

從更廣闊的視角看，這項(xiàng)研究提醒我們宇宙的復(fù)雜性遠(yuǎn)超想象。看似簡(jiǎn)單的雙體問(wèn)題，在真實(shí)的宇宙環(huán)境中可能涉及復(fù)雜的多體相互作用。只有通過(guò)不斷改進(jìn)我們的理論模型和分析方法，才能從觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出這些隱藏的信息。

引力波天文學(xué)仍處于起步階段，但已經(jīng)為我們打開了一扇通向宇宙深處的新窗口。通過(guò)這扇窗口，我們不僅能夠“聽到”宇宙中最激烈的事件，還能夠探索天體形成和演化的奧秘。GW190814和它可能的第三個(gè)伙伴，只是這個(gè)宏大交響樂中的一個(gè)音符，但正是這些音符的積累，將最終譜寫出宇宙演化的完整樂章。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang, Shu-Cheng, et al. “Indication for a Compact Object Next to a LIGO–Virgo Binary Black Hole Merger.”The Astrophysical Journal Letters 988.2 (2025): L41.

出品：科普中國(guó)

作者：吳剛（物理學(xué)博士）

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