天文学家发现星系引力在黑洞碰撞中的隐秘作用

探测到合并黑洞产生的引力波引发了一个有趣的问题：这些黑洞如何靠得足够近以发生碰撞？马克斯普朗克天体物理研究所 (MPA) 的研究人员认为，其中一些黑洞可能以大质量恒星的形式开始它们的旅程，它们在遥远的距离上相互绕行——距离是地球与太阳距离的 1000 到 10000 倍。在这些恒星完成生命周期并坍缩为黑洞后，其宿主星系的引力会逐渐扭曲它们的轨道。随着时间的推移，这个过程会使黑洞靠得更近，最终导致它们合并。

双星系统

宇宙中的许多恒星都不是孤立存在的。与我们的太阳不同，许多恒星都有一个恒星伴星，形成所谓的双星系统。这些双星之间的距离在它们的演化中起着至关重要的作用。轨道非常近的恒星经常交换质量，从而导致复杂而动态的相互作用。

对于大质量恒星，这些相互作用可能导致双黑洞的形成，最终可能由于引力波的能量损失而合并。相比之下，传统上认为分离度更大的双星会悄无声息地演化，表现得像单星，产生的双黑洞相距太远，无法合并。

两个等质量物体在圆形轨道（左图）和越来越多的椭圆轨道（向右）上相互绕行的示意图。虽然所有物体在大多数时间都保持相距很远，但那些在非常椭圆的轨道上移动的物体每轨道一次都会非常接近地相遇。图片来源：A. Price-Whelan/Creative Commons CC-BY-SA 许可

重新思考宽双星演化

然而，最近发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究挑战了这种传统理解。该研究由马克斯普朗克天体物理研究所 (MPA) 研究员 Jakob Stegmann 领导，重点介绍了当双星置于银河环境中时这种观点是如何变化的。

宽双星——相距地球与太阳距离 1000 多倍的双星——容易受到其宿主星系引力的干扰以及与经过的恒星的近距离接触。当将这些星系影响考虑在内时，研究表明，宽双星可能会经历意想不到的剧烈相互作用，影响恒星及其致密残余物。

星系对双黑洞的影响

这些相互作用是由于将非常宽的双黑洞结合在一起的极低结合能造成的。因此，整个宿主星系的引力可以慢慢改变两个黑洞相互绕行的轨道形状，并使其越来越细长。在这些高度椭圆的轨道上，两个黑洞大部分时间都保持着相距很远的距离，但每次轨道运行都会近距离经过对方一次（见动画）。

这导致了一个违反直觉的结果：为了使两个黑洞之间的距离小于几公里，以便它们能够合并，我们仍然可以从地球和太阳之间距离的 1，000 多倍开始。线索在于它们的轨道的椭圆度，由于星系引力的干扰作用，椭圆度会慢慢增大。

银河系内宽双星轨道示意图。在穿过银河系时，其椭圆度会受到银河系引力和周围恒星飞掠的影响，从而导致近距离接触（插图）。图片来源：Jakob Stegmann 等人 2024 ApJL 972 L19

对低质量恒星碰撞的影响

这种使两个黑洞靠得更近的机制也可能与宽低质量双星的演化有关。最近，海德堡 MPIA 的研究人员在 ESA 领导的盖亚任务的数据中搜索了宽双星。令人惊讶的是，他们发现大约 10% 的低质量恒星拥有遥远的恒星伴星。

虽然像这样的系统质量不足以形成黑洞，但在这种情况下，MPA 的研究表明，星系的引力可能会驱使恒星发生正面碰撞。这些碰撞不会导致可探测到的引力波发射，但可能会以高能耀斑的形式可见，即所谓的明亮红新星。

双星研究的进展

这项研究的结果代表了在研究双星及其致密残余物的大量演化途径方面取得的进展。虽然先前对宽双星的研究主要集中在排除太阳附近存在遥远伴星（称为“复仇女神假说”），以及了解它们保持分离的上限，但另一方面，很少有人关注研究宽双星之间的相互作用。随着盖亚未来数据发布以前所未有的速度扩大宽双星目录，MPA 研究朝着了解它们与银河系的共同演化迈出了重要一步。

详细研究它们的动态使我们能够了解以前认为平淡无奇的系统实际上如何导致宇宙中一些最有活力的瞬变。

编译自/scitechdaily