科学通报|恒星级双黑洞的活动星系核形成通道

近年来，随着激光干涉引力波天文台（ LIGO ）等地基引力波探测器的运行，我们已经观测到了近百例由双黑洞并合引起的引力波事件。这些双黑洞的大量发现引发了天体物理学家对它们形成机制的深刻思考。在众多有关双黑洞的形成理论中，活动星系核（ AGN ）吸积盘作为一种可能的形成场所，逐渐引起了研究者的广泛关注。

AGN 是一类光度极高、辐射极强的星系核，由位于星系中心的超大质量黑洞与周围的吸积盘构成，这一独特的环境可能为双黑洞的形成和并合提供了理想的条件。

PART.01

AGN吸积盘中双黑洞形成过程

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动力学俘获

动力学俘获是双黑洞在 AGN 吸积盘中形成的一个重要机制。包括恒星级黑洞在内的致密天体可通过核星团与 AGN 吸积盘之间的动力学相互作用被捕获并嵌入到 AGN 吸积盘中。

02

迁移陷阱(trap)与迁移间隙(gap)

AGN 吸积盘中的黑洞会与气体盘发生相互作用，进而在AGN吸积盘中迁移。而黑洞可能会由于吸积盘的物理条件被困在某些特殊区域内，这些位置通常被称为迁移陷阱。另一方面，黑洞也可在AGN吸积盘上打开一个间隙，在这种情况下，黑洞与进入间隙的气体发生相互作用，使得其迁移速度变慢。在AGN吸积盘中，预计黑洞会聚集在迁移陷阱和迁移间隙形成的区域。在这些区域，黑洞由于动力学作用或气体作用，进一步靠近并最终并合。

PART.02

形成于AGN吸积盘上的双黑洞的天体物理特征

如果双黑洞是在AGN吸积盘中形成的，它们可能会有一些其他环境中形成的双黑洞系统不具有的特征。在吸积盘内部区域形成的双黑洞质量比通常较低(约为0.2)，而预期的有效自旋参数较高(约为0.4)。吸积盘外部区域形成的双黑洞质量比相对较高，而有效自旋参数分布在0附近。此外，吸积盘中的双黑洞系统可能表现出较高的轨道偏心率，可在引力波信号留下独特的印记。

PART.03

AGN吸积盘上双黑洞并合的电磁对应体

由于富含气体的环境，AGN吸积盘上并合事件的一个关键特征是并合产生的引力波信号可能伴随有电磁辐射。为了探索这种可能性，许多双黑洞并合事件都进行了电磁跟踪观测。目前已有与GW150914、GW190521相关的9个候选电磁对应体被提出，包括7个光学耀变和2个伽马射线耀变。Tagawa等提出的一个较有前景的模型可以解释光学耀变的特性，在该模型下，伽玛射线耀变和光学耀变的所有特性都可以通过突破辐射(break-out shock)和冲击冷却辐射(shock cooling emission)来重现，其分别由喷流与双星星周盘(circum-binary disk)和盘风(wind)或AGN吸积盘气体相互作用产生。

PART.04

展望

AGN吸积盘是双黑洞并合的理想环境。尽管目前还未证实双黑洞并合事件可在这些环境中发生，但对双黑洞并合产生的引力波事件及其可能电磁对应体的观测有助于我们获得可能的关键性证据。此外，像LISA、太极、天琴这样的空间引力波探测器计划在未来十年发射。它们可对双黑洞进行更长时间的观测，其对双黑洞的定位能力也会显著提高，将揭示有利于产生双黑洞并合事件的环境，有助于增强我们对双黑洞形成机制的理解。

杨舒程, 田川宽通, 韩文标*. 恒星级双黑洞的活动星系核形成通道. 科学通报, 2025, 70(3): 353–362

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0656

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