三体星系惨遭降维：这次直接降到了0维

科学家首次发现包含黑洞的三体星系。

天鹅座V404可能是一个包含黑洞的三体星系。NASA

银河系一个三星系统内的一颗恒星被原因不明地降到了0维，成为了黑洞。而与此同时，整个天体系统的架构，以及同属一个星系的两颗恒星却好像丝毫不受影响。这一情形有违已知的天体物理学法则，让研究人员感到相当困惑。

麻省理工学院和加州理工学院的科学家近日在《自然》杂志上刊文称，他们认为有史以来被确认是黑洞的首个天体——天鹅座V404可能隶属于一个“三体星系”。这是人类首次发现包含黑洞的三体星系，而这样的天体系统在正常情况下是不可能出现的。

天鹅座V404距离地球约8000光年。1992年，它成为了有史以来被确认为黑洞的首个天体。通常认为，天鹅座V404由一个黑洞和一颗较小的伴星组成。伴星距离黑洞非常近，环绕黑洞运行一周只需大约6.5个地球日。正因如此，它的一部分已被黑洞撕裂，黑洞正在以之为食。

令人称奇的是，这一次科学家在距离黑洞相当远的地方，又发现了第二颗环绕黑洞运行的恒星。这第二颗恒星环绕黑洞运行一周需要大约7万个地球年。由于距离遥远，二者之间的引力作用相当微弱。

恒星级黑洞的形成过程通常十分暴力——因此研究人员对这个黑洞的来历感到不解——恒星级黑洞通常是在超新星爆发过程中形成的——超新星爆发时，恒星的外围物质会被炸飞，内核则被挤压成为密度极高的状态。假如密度超过极限，内核就会坍缩成黑洞，成为一个几乎是0维的奇点。超新星爆发产生的冲击波，足以使外围恒星脱离星系。

研究人员猜想天鹅座V404黑洞可能是通过某种非正常的机制产生的——比如“直接坍缩”。这是指某些大质量恒星死亡核心坍缩成黑洞的那一刻，会吞噬掉一切外围物质，不会发生物质反弹，也不会发出强光成为超新星。它们是通过很温柔的方式，平静地演化成黑洞的。研究人员认为，唯有在这种情况下，外围那颗恒星才有可能保留下来。

参与研究的科学家是在银河系中寻找新的黑洞时，无意间取得这一发现的。他们发现天鹅座C404的光学图像中有一对神秘的光斑，其中一个被确认是在非常近的距离上环绕黑洞运行的恒星；而第二个光斑是第一次被注意到。观测结果显示它距离黑洞大约有3500个天文单位。也就是说它和黑洞的距离，相当于地球和太阳距离的3500倍，以及冥王星和太阳距离的100倍。研究人员认为它是一颗与黑洞相距甚远的恒星。

研究人员调用盖亚探测器提供的数据，分析了这两颗恒星过去10年间的运动参数后发现，这两个光斑的运行特点相较于其他邻近恒星有很高的相关性——它们被一条非常微弱的引力线束缚在了一起。也就是说，它们和中心黑洞共同组成了一个三体星系。

三体星系在宇宙中并不鲜见，但这个包含黑洞的三体星系却让人难以理解。因为第二颗恒星与中心黑洞的引力作用非常弱，二者只能说是“勉强”束缚在一起。只要中心黑洞附近出现稍大的“动作”，外围的恒星就会受到影响。

在经过大量的计算机模拟之后，研究人员发现无论中心黑洞的形成过程如何，只要它的形成机制是典型的超新星爆发，外围恒星都会不可避免地受到影响。唯有假设这个黑洞是通过“直接坍缩”的方式形成的，外围恒星才有最大的机会保留下来。

研究人员通过外围恒星的演化特征推测，其中心黑洞的前身恒星是在大约40亿年前，和外围恒星共同形成的。但是所谓直接坍缩理论一般较多地适用于远古时代出现的超大质量黑洞，是否适用于恒星级黑洞还存在很多争议。天鹅座V404黑洞的真正形成原因其实仍然是一个谜。

参考
The black hole low-mass X-ray binary V404 Cygni is part of a wide triple
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08120-6