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舞动的黑洞是如何靠近合并的？
让黑洞相互碰撞是相当具有挑战性的，但它确实会发生
一位艺术家的构想，展示了一个被气体盘环绕的超大质量黑洞。
（图片来源：加州理工学院/ R. Hurt（IPAC））
通过引力波观测台，我们已经探测到了许多黑洞合并的事件，这让我们意识到黑洞之间的碰撞比我们之前想象的要频繁得多。最新的研究还提出了一种让黑洞快速合并的可能方式：它们可能被捕获到一个超大质量伴星的吸积盘中。
从天体物理学的角度来看，让两个黑洞靠近并不是特别困难的事情。它们可以天生就是一个双星系统的一部分，也有可能是在星际空间的某个角落偶然相遇。一旦它们开始绕着彼此转动，它们就会一直保持这个状态，无限期地环绕着彼此。
在我们探测到合并黑洞的引力波之前，天文学家就已经知道，处于双黑洞轨道上的天体最终会走向一个致命的结局。我们了解到，大型星系是由许多较小星系合并而成的，几乎每个星系中心都存在一个巨大的黑洞。但通常情况下，每个星系只有一个这样的巨大黑洞，这意味着如果星系合并，它们的黑洞也必然会合并。
然而，让黑洞真正发生碰撞是相当具有挑战性的。要让两个轨道物体靠近，你需要从系统中抽取能量和角动量。由于太空中几乎没有摩擦，这变得非常困难。尽管行星系统可以通过辐射或气体的存在来实现这一点，但黑洞却没有这样的选择。
引力波可以从双星系统中抽取能量和动量，但由于引力波非常微弱，这个过程只有在两个黑洞已经非常接近彼此时才能起作用。这就是我们所说的“最后一秒问题”，天文学家意识到让双黑洞足够靠近，以便引力波可以在推动合并过程中发挥作用，这本身就是一个困难的任务
解决“最后一秒问题”
多年来，天文学家已经提出了各种方法来解决“最后一秒问题”。这些机制通常涉及一个远离双黑洞轨道的第三个物体的存在。如果条件恰到好处，只要有正确的排列和速度，第三个伴星就可以轻轻地牵引双黑洞，拉伸它们的轨道。这种拉伸会增加双黑洞轨道的椭圆度。随着椭圆度的增加，黑洞开始花费更多的时间靠近彼此。一旦它们达到临界距离，引力波将填补这个距离，黑洞最终合并。
但是这种情况需要第三个伴星的精确配置，并且可能还不足够。基于所有引力波的观测，天文学家估计在宇宙中的每个立方千百万秒内（大约是可观测宇宙总体积的1/12000），每年会发生15到38次黑洞合并事件，而依赖第三个伴星的机制产生的次数不到这个数量的一半。
在一篇发表在预印数据库arXiv上的新论文中，研究人员提出了黑洞合并的一种新方法。这个方法也需要一个相当特定的设置，但它比依赖遥远的第三个伴星要更加通用。
这个设置是在一个超大质量黑洞附近开始的。这并不是一个疯狂的想法，因为超大质量黑洞位于星系的中心，而星系中充满了恒星，因此也有很多较小的黑洞。与大多数位于星系中心的事物一样，我们很可能能够找到许多围绕中央超大质量黑洞懒洋洋地绕行的双黑洞。
这张图片展示了银河系中心的黑洞——Sagittarius A*。
（图片来源：EHT Collaboration，CC BY-SA）
这篇论文的作者发现，如果双黑洞相对于围绕超大质量黑洞的轨道倾斜，就有可能引发一次合并。首先，双黑洞对需要进行进动，这意味着它们轨道旋转的轴会随时间摆动。如果这种进动的速率与围绕中央超大质量黑洞的轨道周期相匹配，那么它的巨大引力将定期对双黑洞进行牵引，使它们的椭圆度增加，从而增加最终合并的机会。
但这种匹配只有在双黑洞绕中央超大质量黑洞的轨道完全正确的情况下才能发生，这必须是一个非常幸运的巧合。幸运的是，作者发现自然界可以处理这一点。无论双黑洞最初的轨道如何，如果它们位于超大质量黑洞的盘中，它们将会逐渐向内迁移。
无论它们的起始轨道如何，它们最终会找到一个距离，使得它们的轨道周期与进动周期相匹配。如果它们在那个轨道上停留足够长的时间，中央超大质量黑洞的引力将有足够的时间增加其椭圆度。
作者发现这是一个相当通用的情况。通过运行许多关于黑洞特性和起始条件的模拟，他们发现双黑洞经常会合并。
目前还不清楚这是否是合并发生的主要机制，或者只是众多可能机制之一。无论如何，这项研究展示了黑洞的生活可以多么复杂，以及它们在黑暗中跳舞的众多方式。
BY:Paul Sutter
FY: winwin
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