雙黑洞背后竟藏“神秘大佬”？我國科研團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)第三致密天體存在跡象

2015年人類首次探測到引力波以來，國際引力波探測聯(lián)合機(jī)構(gòu)（LIGO-Virgo-KAGRA合作組織）已探測超過100次引力波事件，其中絕大多數(shù)來自雙黑洞并合。這些事件為人類理解雙黑洞并合的物理過程提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但目前學(xué)術(shù)界對雙黑洞如何形成、如何演化的機(jī)制還不確定。

近日，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)韓文標(biāo)研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)這些雙黑洞可能并非“孤獨(dú)行者”，其背后可能隱藏著更為神秘的“大佬”——雙黑洞并合事件可能發(fā)生在第三個(gè)致密天體附近。這一突破性進(jìn)展為揭開雙黑洞的形成之謎提供了全新線索，相關(guān)成果于8月1日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理雜志快報(bào)》上。

LIGO-Virgo-KAGRA引力波合作組織公布的引力波事件。上海天文臺(tái)供圖

早在2018年，上海天文臺(tái)引力波團(tuán)組負(fù)責(zé)人韓文標(biāo)和合作者首次提出一個(gè)大膽的科學(xué)設(shè)想——一個(gè)超大質(zhì)量黑洞和一個(gè)繞其運(yùn)行的恒星質(zhì)量雙黑洞組成“三人組”，當(dāng)雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近“跳舞”時(shí)，會(huì)受到其強(qiáng)大引力作用，軌道逐漸縮小并發(fā)射引力波。該“三人組”系統(tǒng)已被國際引力波探測LISA計(jì)劃列入白皮書，也被中國空間引力波探測計(jì)劃列為獨(dú)特波源。從那時(shí)起，科研團(tuán)隊(duì)就開始從引力波數(shù)據(jù)中尋找雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近并合的證據(jù)。

科研團(tuán)隊(duì)把目標(biāo)瞄準(zhǔn)了引力波事件GW190814。“這里的兩個(gè)黑洞挺不一般，其質(zhì)量大小差了快10倍。這么懸殊的組合可能是它們曾和一個(gè)超大質(zhì)量黑洞組成‘三人組’，在彼此的引力拉扯下越靠越近；也有人認(rèn)為它們誕生在活動(dòng)星系核的吸積盤里，被周圍其他致密天體的引力推搡著慢慢靠近，最終并合。”論文第一作者楊舒程博士介紹。

雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近并合。上海天文臺(tái)供圖

研究發(fā)現(xiàn)雙黑洞在第三個(gè)致密天體附近并合。上海天文臺(tái)供圖

科研團(tuán)隊(duì)還注意到，若雙黑洞在第三個(gè)致密天體附近并合，其繞第三個(gè)天體的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生視向加速度——即沿觀測者視線方向的加速度。這種加速度會(huì)通過多普勒效應(yīng)改變引力波的頻率，在信號(hào)中留下獨(dú)特“印記”。為捕捉這一信號(hào)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種包含視向加速度的引力波波形模板，對多個(gè)高信噪比雙黑洞事件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明相關(guān)數(shù)據(jù)強(qiáng)烈支持引力波事件GW190814“存在視向加速度”。

“這是國際上首次在雙黑洞并合事件中發(fā)現(xiàn)第三致密天體存在的明確跡象。”韓文標(biāo)表示，這一發(fā)現(xiàn)意味著GW190814的雙黑洞可能并非孤立形成，而是處于一個(gè)更復(fù)雜的引力系統(tǒng)中，在揭示雙黑洞形成通道方面具有重要價(jià)值。