科學家首次發現包含黑洞的三體星系。

天鵝座V404可能是一個包含黑洞的三體星系。NASA

銀河系一個三星系統內的一顆恒星被原因不明地降到了0維，成為了黑洞。而與此同時，整個天體系統的架構，以及同屬一個星系的兩顆恒星卻好像絲毫不受影響。這一情形有違已知的天體物理學法則，讓研究人員感到相當困惑。

麻省理工學院和加州理工學院的科學家近日在《自然》雜志上刊文稱，他們認為有史以來被確認是黑洞的首個天體——天鵝座V404可能隸屬于一個“三體星系”。這是人類首次發現包含黑洞的三體星系，而這樣的天體系統在正常情況下是不可能出現的。

天鵝座V404距離地球約8000光年。1992年，它成為了有史以來被確認為黑洞的首個天體。通常認為，天鵝座V404由一個黑洞和一顆較小的伴星組成。伴星距離黑洞非常近，環繞黑洞運行一周只需大約6.5個地球日。正因如此，它的一部分已被黑洞撕裂，黑洞正在以之為食。

令人稱奇的是，這一次科學家在距離黑洞相當遠的地方，又發現了第二顆環繞黑洞運行的恒星。這第二顆恒星環繞黑洞運行一周需要大約7萬個地球年。由于距離遙遠，二者之間的引力作用相當微弱。

恒星級黑洞的形成過程通常十分暴力——因此研究人員對這個黑洞的來歷感到不解——恒星級黑洞通常是在超新星爆發過程中形成的——超新星爆發時，恒星的外圍物質會被炸飛，內核則被擠壓成為密度極高的狀態。假如密度超過極限，內核就會坍縮成黑洞，成為一個幾乎是0維的奇點。超新星爆發產生的沖擊波，足以使外圍恒星脫離星系。

研究人員猜想天鵝座V404黑洞可能是通過某種非正常的機制產生的——比如“直接坍縮”。這是指某些大質量恒星死亡核心坍縮成黑洞的那一刻，會吞噬掉一切外圍物質，不會發生物質反彈，也不會發出強光成為超新星。它們是通過很溫柔的方式，平靜地演化成黑洞的。研究人員認為，唯有在這種情況下，外圍那顆恒星才有可能保留下來。

參與研究的科學家是在銀河系中尋找新的黑洞時，無意間取得這一發現的。他們發現天鵝座C404的光學圖像中有一對神秘的光斑，其中一個被確認是在非常近的距離上環繞黑洞運行的恒星；而第二個光斑是第一次被注意到。觀測結果顯示它距離黑洞大約有3500個天文單位。也就是說它和黑洞的距離，相當于地球和太陽距離的3500倍，以及冥王星和太陽距離的100倍。研究人員認為它是一顆與黑洞相距甚遠的恒星。

研究人員調用蓋亞探測器提供的數據，分析了這兩顆恒星過去10年間的運動參數后發現，這兩個光斑的運行特點相較于其他鄰近恒星有很高的相關性——它們被一條非常微弱的引力線束縛在了一起。也就是說，它們和中心黑洞共同組成了一個三體星系。

三體星系在宇宙中并不鮮見，但這個包含黑洞的三體星系卻讓人難以理解。因為第二顆恒星與中心黑洞的引力作用非常弱，二者只能說是“勉強”束縛在一起。只要中心黑洞附近出現稍大的“動作”，外圍的恒星就會受到影響。

在經過大量的計算機模擬之后，研究人員發現無論中心黑洞的形成過程如何，只要它的形成機制是典型的超新星爆發，外圍恒星都會不可避免地受到影響。唯有假設這個黑洞是通過“直接坍縮”的方式形成的，外圍恒星才有最大的機會保留下來。

研究人員通過外圍恒星的演化特征推測，其中心黑洞的前身恒星是在大約40億年前，和外圍恒星共同形成的。但是所謂直接坍縮理論一般較多地適用于遠古時代出現的超大質量黑洞，是否適用于恒星級黑洞還存在很多爭議。天鵝座V404黑洞的真正形成原因其實仍然是一個謎。

參考
The black hole low-mass X-ray binary V404 Cygni is part of a wide triple
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08120-6