物理学家发现首个“三星黑洞”？为何这种现象如此罕见

作者：苟利军

黑洞一直是大众喜爱的话题。在宇宙中，恒星级黑洞由大质量恒星的核心坍缩形成，它常通过剧烈的超新星爆发或较温和的“直接坍缩”产生。前者会导致黑洞或中子星获得比较明显的“出生踢”，也就是通过黑洞在诞生时的不对称爆炸时获得额外速度。然而，黑洞是否普遍具有出生踢及其对周围天体的影响仍是未解之谜。最近，科学家对天鵝座V404系统的研究首次揭示了恒星级黑洞的三星系统结构，为经典黑洞形成理论带来新挑战。大家好，我是中国科学院国家天文台的苟利军，今天我们就来聊聊最近的黑洞发现。

我们刚刚提到，恒星级黑洞起源的两种主要模型是超新星爆发和直接坍缩。超新星爆发是大质量恒星在耗尽核燃料后，由引力坍缩触发的剧烈爆发。由于不对称性，它产生强烈的冲击波，通常导致黑洞或中子星获得不小的“出生踢”，英文叫做natal kick。然而，这种爆发也会将周围天体抛离系统。相对而言，直接坍缩是一种更温和的坍缩过程，不会产生剧烈的冲击波或踢动，因而可能保持附近的伴星在引力作用下相对稳定。

宇宙中大多数已知黑洞系统是双星系统，即黑洞与伴星共存于一个引力束缚的结构中。比如最早发现的黑洞双星系统天鹅座X-1系统，它就是典型的黑洞伴星双星系统。双星系统的广泛存在为理解黑洞的演化提供了线索，但三星系统十分罕见，比如我们所熟悉的比邻星就处于一个三星系统当中，不过对于包含黑洞的三重系统很是少见。不过，就在最近的10月23日，知名学术期刊《自然》杂志上发表了一项研究成果，天文学家们首次确认天鵝座V404就是一个包含黑洞的三星系统。

天鵝座V404位于全天88个星座的天鹅座当中，距地球约7800光年，之前通常被认为是一个典型的低质量X射线双星，由一个黑洞和一颗靠近的并且质量小于太阳质量的伴星构成。该伴星紧密围绕黑洞运行，轨道周期仅约6.5天。然而，最新观测发现，除了之前所认为的系统之外，该系统中还存在一颗距离黑洞约3500天文单位的遥远伴星。这使得天鵝座V404成为一个层级的三星系统：黑洞与近距离伴星组成核心双星，而远距离伴星则绕这一核心双星运行。这个结构很是罕见，且核心双星的黑洞在形成时没有因出生踢而将远距离伴星驱散，显示黑洞可能形成于低踢动或无踢动的坍缩过程。研究显示该黑洞的踢动速度低于5公里/秒，这不足以使远距离伴星脱离系统。由此推测，该黑洞可能通过直接坍缩过程形成，其前身恒星并未经历剧烈的超新星爆发，而是温和地坍缩为黑洞。这种低出生踢使黑洞形成时不会扰动外层伴星的轨道，支持了直接坍缩模型。在这里需要说明的是，几年之前，我们对天鹅座X1进行研究的时候，也发现天鹅座X-1的前身星也是未经历剧烈的超新星爆发过程，只抛出了极少的物质，最后坍缩形成了天鹅座X-1的黑洞。从这一点来说，两个黑洞的形成过程是类似的。

研究团队还发现，系统中的远距离伴星已经从主序星阶段演化离开，暗示系统形成于30至50亿年前。黑洞在形成后的漫长时间内从核心伴星中吸积了约0.5个太阳质量的物质，使核心双星逐渐演化成今天的状态。这种稳定的层级三星结构符合低出生踢理论，进一步验证了黑洞可以通过直接坍缩形成。

天鵝座V404的发现对经典黑洞形成理论提出了深刻挑战。根据传统的超新星爆发模型，大质量恒星形成黑洞时会伴随剧烈的冲击波，使得周围的恒星或其他天体难以保持引力束缚。而天鵝座V404的远距离伴星在黑洞形成过程中未受剧烈扰动，表明该黑洞未经历显著的“出生踢”。这意味着直接坍缩模型可以适用于解释恒星级黑洞低出生踢的特性。

此外，天鵝座V404的层级三重系统结构支持了一种涉及三体演化的低质量X射线双星形成模型。在该模型中，远距离伴星通过引力相互作用促使核心双星轨道逐渐变窄，最终形成紧密的低质量X射线双星。这种引力相互作用会使内层轨道逐渐变窄，从而维持系统稳定性。

天鵝座V404的发现为黑洞形成机制和演化路径的研究提供了宝贵的新见解。该发现表明，恒星坍缩黑洞可能通过直接坍缩形成，并具有极小的“出生踢”。这一过程可能在宇宙中比之前预期的更为普遍。而直接坍缩理论在解释黑洞低踢动特性方面展示了优势，揭示了恒星级黑洞形成机制的多样性。

未来更多的观测将帮助科学家发现其他类似的三重黑洞系统，为黑洞形成和演化模型提供更多支持。天鵝座V404的独特性不仅让我们重新审视黑洞的形成和演化过程，也为理解宇宙中黑洞系统的复杂性带来了前所未有的洞察。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：苟利军

审核：韩文标 中科院上海天文台研究员

出品：中国科协科普部

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