在浩瀚的宇宙深處，一場持續了數億年的引力芭蕾正在上演。兩個黑洞在彼此的引力作用下螺旋接近，最終碰撞融合，釋放出驚人的能量漣漪——引力波。自2015年人類首次探測到引力波以來，科學家們已經記錄了超過100次這樣的宇宙事件。

然而，最新的研究表明，有些雙黑洞并合可能并非孤立發生，而是在第三個致密天體的“注視”下完成的。近期，中國科學院上海天文臺的韓文標研究團隊首次發現了這種“三人舞蹈”的確鑿證據，為理解雙黑洞的形成和演化機制打開了全新的窗口。

雙黑洞在超大質量黑洞附近并合示意圖

（中國科學院上海天文臺）

引力波天文學的新紀元

2015年9月14日，人類歷史上首次直接探測到了引力波信號。這個被命名為GW150914的事件，來自于13億光年外兩個分別為36倍和29倍太陽質量的黑洞并合。這一突破性發現驗證了愛因斯坦在1916年提出的廣義相對論預言，也標志著引力波天文學時代的到來。

引力波是時空本身的漣漪，當大質量天體加速運動時就會產生。想象一下，在平靜的湖面上投入一顆石子，會激起一圈圈漣漪向外擴散。類似地，當兩個黑洞相互繞轉并最終碰撞時，會在時空中激起漣漪，以光速向外傳播。這些漣漪攜帶著關于源天體質量、自旋、距離等豐富信息，為我們提供了研究宇宙極端天體的全新手段。

LIGO（激光干涉引力波天文臺）、Virgo和KAGRA組成的國際合作網絡，通過精密的激光干涉儀來探測這些極其微弱的時空擾動。這些探測器的靈敏度令人驚嘆——它們能夠測量出比質子直徑還要小一千倍的長度變化。正是憑借這種超高精度，科學家們得以窺探宇宙中最激烈的天體物理過程。

編輯蟹狀星云，藍色部分為錢德拉X射線天文臺拍攝的X射線圖像，紅色部分為可見光圖像，其星云中心附近存在一顆年輕的脈沖星PSR J0534+2200，極有可能會被證實為引力波源的天體之一。

（維基百科）

雙黑洞形成的未解之謎

盡管引力波探測取得了巨大成功，但雙黑洞系統的起源仍然是天文學中的一個重要謎題。目前，主流理論提出了幾種可能的形成途徑：

第一種是雙星演化模型。在這個場景中，兩顆大質量恒星組成雙星系統，經過漫長的演化，先后坍縮成黑洞。這個過程涉及復雜的恒星演化、質量轉移和超新星爆發等物理過程。然而，這種模型預測的雙黑洞質量比通常較為接近，難以解釋一些質量相差懸殊的系統。

第二種是動力學形成模型。在密集的星團環境中，黑洞可能通過引力相互作用結合形成雙黑洞。這種三體或多體相互作用可以產生各種質量組合的雙黑洞系統，但形成效率相對較低。

第三種，也是最近備受關注的，是活動星系核（AGN）吸積盤模型。在星系中心超大質量黑洞周圍的吸積盤中，恒星級黑洞可能通過氣體動力學作用而配對。這個環境提供了獨特的物理條件，使得原本不太可能相遇的黑洞能夠形成雙星系統。

NASA超級計算機模擬得到的黑洞雙星開始合并的情形

（維基百科）

GW190814：一個特殊的引力波事件

2019年8月14日，LIGO和Virgo探測到了一個不同尋常的引力波信號——GW190814。這個事件之所以引人注目，是因為它涉及的兩個天體質量相差巨大：主天體約23倍太陽質量，而次天體僅約2.6倍太陽質量，質量比接近10:1。

如此懸殊的質量比在傳統的雙星演化模型中極難形成。這引發了科學家們的強烈興趣：這個系統是如何形成的？它的演化歷史又是怎樣的？更重要的是，這種極端質量比系統的存在，是否暗示著某種全新的形成機制？

GW190814的另一個特點是其較長的可觀測時間。由于次天體質量較小，系統的軌道演化相對緩慢，使得引力波信號在LIGO頻段內持續了更長時間。這為精確測量系統參數提供了寶貴機會，也為尋找可能的環境效應創造了條件。

視向加速度：第三天體存在的證明

韓文標研究團隊的創新之處在于，他們考慮了一個此前被忽視的效應——視向加速度。如果雙黑洞系統在第三個致密天體（如另一個黑洞或超大質量黑洞）附近并合，那么整個系統會圍繞第三天體做軌道運動。這種軌道運動會產生沿觀測者視線方向的加速度，通過多普勒效應改變引力波的頻率。

這個效應可以用一個簡單的類比來理解。想象一輛救護車在環形跑道上行駛，同時發出警笛聲。站在跑道中心的觀察者會聽到警笛聲的音調周期性變化——當救護車朝向觀察者行駛時音調升高，遠離時音調降低。類似地，如果雙黑洞系統在繞第三天體運動，其發出的引力波頻率也會出現類似的調制。

研究團隊開發了包含視向加速度效應的引力波波形模板。這個模板在標準的雙黑洞并合波形基礎上，加入了由加速度引起的相位修正項。通過貝葉斯推斷方法，他們可以從觀測數據中提取出視向加速度的大小和方向。

貝葉斯分析：用數據說話

貝葉斯推斷是現代天文學數據分析的核心工具。它基于貝葉斯定理，通過結合先驗知識和觀測數據，得出參數的后驗概率分布。在引力波數據分析中，貝葉斯方法能夠同時估計系統的多個參數，并給出它們的不確定性。

對于GW190814，研究團隊比較了兩個模型：一個是標準的孤立雙黑洞模型，另一個是包含視向加速度的模型。貝葉斯因子是衡量兩個模型相對可能性的指標。如果貝葉斯因子大于1，說明數據更支持包含視向加速度的模型。

分析結果令人振奮：GW190814的貝葉斯因子高達58:1，強烈支持存在視向加速度的模型。測得的視向加速度約為0.0015倍光速每秒，誤差范圍為±0.0008。這個數值雖然看似很小，但在10秒的信號持續時間內，會導致約0.015倍光速的速度變化，對應的多普勒頻移約為0.8%。

更重要的是，包含視向加速度的模型顯著提高了信號的信噪比。這表明，考慮環境效應不僅在理論上有意義，還能改善我們對引力波信號的理解和參數估計精度。

b-EMRI：一個可能的天體物理場景

早在2018年，韓文標等人就提出了b-EMRI（binary-Extreme Mass Ratio Inspiral）的概念。在這個模型中，一個雙黑洞系統被超大質量黑洞俘獲，形成一個分層的三體系統。雙黑洞在內軌道上相互繞轉，同時整個系統在外軌道上繞超大質量黑洞運動。

b-EMRI模型示意圖

（參考文獻[1]）

這種配置在活動星系核環境中可能自然形成。超大質量黑洞周圍的吸積盤（黑洞周圍的氣體和塵埃盤）為恒星級黑洞的遷移和配對提供了理想場所。氣體的粘滯作用可以有效地消耗軌道能量，使原本分散的黑洞逐漸向內遷移并可能相遇。一旦兩個黑洞足夠接近，引力相互作用將主導它們的演化，最終導致并合。

b-EMRI系統的一個獨特之處是它能夠產生多頻段引力波。雙黑洞的并合產生高頻引力波（LIGO頻段），而整個系統繞超大質量黑洞的軌道運動則產生低頻引力波（LISA頻段）。這種多信使特性使得b-EMRI成為未來空間引力波探測的重要目標。

對其他引力波事件的啟示

研究團隊不僅分析了GW190814，還對其他幾個高信噪比的引力波事件進行了類似分析。結果顯示，大多數事件的貝葉斯因子接近1，表明它們更可能是孤立的雙黑洞并合。這個結果本身也很有意義——它說明并非所有雙黑洞都在復雜環境中形成，傳統的形成通道仍然是主流。

然而，GW190814的特殊性提醒我們，宇宙中雙黑洞的形成途徑可能比我們想象的更加多樣。隨著引力波探測器靈敏度的提升和觀測數量的增加，我們有望發現更多類似的事件，從而更全面地理解雙黑洞的形成和演化。

未來的觀測和下一代引力波探測器（如愛因斯坦望遠鏡和宇宙探索者）將大大提高我們探測環境效應的能力。空間引力波探測器（如LISA、太極和天琴）則能夠在更低的頻段觀測雙黑洞系統的早期演化，可能直接看到它們在第三天體引力場中的軌道運動。

理論與觀測的完美結合

這項研究展示了理論預言和觀測分析緊密結合的力量。從2018年提出b-EMRI概念，到開發包含環境效應的波形模板，再到在實際數據中發現第三天體存在的證據，整個過程體現了現代天文學研究的典型特征：理論指導觀測，觀測驗證和完善理論。

這項工作展示了中國科學家在引力波天文學領域的重要貢獻。隨著中國自己的引力波探測計劃（如太極和天琴）的推進，我們有理由期待在這個領域看到更多激動人心的突破性成果。

展望未來

GW190814可能只是冰山一角。隨著引力波天文學的快速發展，我們正在揭示一個前所未見的宇宙圖景。雙黑洞、中子星，以及可能存在的其他致密天體，在引力的主導下演繹著各種奇妙的宇宙舞蹈。

第三天體的發現不僅豐富了我們對雙黑洞形成機制的認識，還為研究極端引力環境提供了新的實驗室。在這些環境中，廣義相對論的預言可以得到最嚴格的檢驗，新物理的跡象也可能首先顯現。

從更廣闊的視角看，這項研究提醒我們宇宙的復雜性遠超想象。看似簡單的雙體問題，在真實的宇宙環境中可能涉及復雜的多體相互作用。只有通過不斷改進我們的理論模型和分析方法，才能從觀測數據中提取出這些隱藏的信息。

引力波天文學仍處于起步階段，但已經為我們打開了一扇通向宇宙深處的新窗口。通過這扇窗口，我們不僅能夠“聽到”宇宙中最激烈的事件，還能夠探索天體形成和演化的奧秘。GW190814和它可能的第三個伙伴，只是這個宏大交響樂中的一個音符，但正是這些音符的積累，將最終譜寫出宇宙演化的完整樂章。

參考文獻：

[1]Yang, Shu-Cheng, et al. “Indication for a Compact Object Next to a LIGO–Virgo Binary Black Hole Merger.”The Astrophysical Journal Letters 988.2 (2025): L41.

出品：科普中國

作者：吳剛（物理學博士）

監制：中國科普博覽