天文学重大发现改写黑洞形成理论

宇宙中存在著许多令人难以想像的天体，其中最神秘莫测的，莫过于黑洞（black hole）。目前已知大多数黑洞都存在于双星系统（binary system）中，也就是一个黑洞与另一个天体（例如恒星、中子星或另一个黑洞）互相环绕运行。

然而，美国麻省理工学院（MIT）和加州理工学院（Caltech）的物理学家团队，近期在《自然》（Nature）期刊发表一项令人惊叹的发现：他们首次观测到一个“黑洞三合体系统”（black hole triple），这项发现，为我们了解黑洞的形成和演化过程，提供了前所未有的新线索。

科学网站《IFLScience》23日报道，这个新发现的三合体系统，包含一个中心黑洞，以及一个距离较近的恒星，每6.5天环绕中心黑洞运行一次。这与大多数双星系统的结构类似。然而，令人惊讶的是，这个系统中还存在一个距离中心黑洞非常遥远的第二颗恒星，估计其公转周期长达7万年。

这个系统中，中心黑洞正在吞噬靠近其轨道运行的恒星，同时一个远距离的恒星也围绕黑洞运行。这个奇特的现象，挑战了传统的黑洞形成理论。

一般认为，黑洞是由垂死恒星的剧烈爆炸（超新星爆发，supernova）所形成。然而，如果这个黑洞是由典型的超新星爆发形成，那么它在坍缩前释放的巨大能量，应该会将周围任何松散结合的天体都抛到远方。因此，这个遥远的恒星不应该还存在于这个系统中。

研究团队推测，这个黑洞的形成过程，可能并非一般剧烈的超新星爆发，而是较为“温和”的“直接坍缩”（direct collapse）。恒星在直接坍缩过程中，会直接塌陷成黑洞，不会产生剧烈的能量释放，因此较不会影响到远处的天体。

世界上最大的数码相机来了! 天文学革命?

由于这个三合体系统包含一颗距离非常遥远的恒星，这项发现为“直接坍缩”理论提供了强而有力的证据。虽然天文学家已观测到许多由超新星爆发形成的黑洞，但这个三合体系统，可能是第一个直接证实黑洞可以透过“直接坍缩”形成的证据。

这张艺术想像图描绘了V404 Cygni系统：一颗恒星正被吸入环绕黑洞的吸积盘（accretion disk）中，背景中则有一颗明亮的伴星。（图取自Nature期刊）

这个黑洞三合体系统的发现，几乎是偶然的。研究团队在翻阅天文观测数据库 Aladin Lite 时，发现了这个位于银河系中，距离地球约8000光年的天体V404 Cygni。这个黑洞在1992年被确认为黑洞，并被大量研究，但之前从未发现它是一个三合体系统。

研究人员分析了过去十年盖亚（Gaia）卫星所观测到的恒星数据，发现内外两颗恒星的运动完全一致，可能性只有千万分之一。他们计算出，外层恒星与中心黑洞的距离是地球与太阳距离的3500倍，相当于冥王星与太阳距离的100倍。如此遥远的距离，加上两颗恒星一致的运动轨迹，让研究人员确信，这是一个黑洞三合体系统。

研究团队进一步利用电脑模拟，测试了这个三合体系统可能的形成过程。结果显示，最容易形成这种三合体系统的方式，是透过“直接坍缩”。此外，外层恒星正处于演化成红巨星的阶段，根据恒星演化模型，研究人员推断这个系统的年龄约为40亿年。