类星体盘可能会发生黑洞碰撞事件

　　漫画中突出了二元形成机制的关键阶段，作为模拟中的快照。第一个画面显示了孤立黑洞周围的“迷你”圆盘，它们在画面2和3中彼此相遇并相互结合。之后，双星通过与改造过的迷你圆盘的引力相互作用缓慢演化，迷你圆盘围绕两个黑洞旋转。鸣谢:Connar Rowan等人。

　　据皇家天文学会：随着引力波的发现，新的研究揭示了可能导致黑洞合并事件的环境。这项工作由牛津大学的博士生Connar Rowan在本周的2023年国家天文学会议上提出。

　　首批引力波最初由阿尔伯特·爱因斯坦在1916年预测，于2015年在地球上被探测到。然而，确定它们在宇宙中的起源一直是一个悬而未决的问题。要在如此遥远的距离上被探测到，我们观察到的引力波只能来自彼此非常接近的大型高密度物体对，如黑洞或中子星双星。现在已经有超过90次这样的探测，尽管允许这些物体足够接近以发射引力波的主要天体物理环境仍然是一个谜。

　　黑洞可能经历频繁合并的一个可能环境是类星体。类星体是一个强大的活动星系核，由超大质量黑洞提供动力。一个致密的气体盘围绕着接近光速的超大质量黑洞旋转，产生了极其明亮的辐射。

　　恒星质量黑洞与超大质量黑洞气体盘的相互作用非常复杂，需要复杂的计算机模拟才能理解。在这项新的研究中，来自牛津大学和哥伦比亚大学的天文学家团队检查了这种嵌入圆盘的恒星质量黑洞的行为。这项工作表明，恒星质量的黑洞可以被拖入致密的类星体气体盘中，并通过相互之间以及与盘中气体的引力相互作用被迫进入双星系统。

　　该团队对包含两个恒星质量黑洞的类星体气体盘进行了高分辨率模拟。模拟的目的是看看黑洞是否被引力束缚的双星系统捕获，并可能在以后的时间在气体盘中合并。这些模拟使用了2500万个气体粒子来模拟遭遇期间的复杂气流，每次模拟需要大约三个月的计算运行时间。

　　黑洞双星形成机制的图解。围绕一个超大质量黑洞运行的两个孤立黑洞在超大质量黑洞周围的大气体盘中相遇。引力相互作用以及与气体的相互作用从两个黑洞中移除能量，使它们保持束缚。鸣谢:Connar Rowan等人。

　　模拟显示，气体在相遇过程中降低了黑洞的速度，因此通常只会分开的黑洞仍然受到引力的束缚，被困在彼此的轨道上，同时它们又绕着超大质量黑洞运行。这是通过它们之间的重力牵引以及圆盘和单个黑洞周围的单个“迷你”圆盘中的大量气体流的混合而发生的。

　　此外，类似于空气阻力的直接气体阻力也发挥了作用，气体沿着它们的路径被黑洞“吃掉”，迫使它们减速。作为通过引力相互作用吸收黑洞动能的反应，气体在遭遇后立即猛烈喷射。这一结果出现在大多数模拟中，并证实了先前的预期，即气体极大地促进了黑洞被束缚成对。

　　还发现黑洞的轨道方向会影响它们的演化。在一半的逆行双星中——在这些双星系统中，黑洞以与它们围绕超大质量黑洞的轨道相反的方向相互轨道运行——黑洞可以足够接近以产生显着的引力波，并通过这些波发射非常迅速地消耗它们的轨道能量，非常突然地合并。

　　研究负责人Rowan说，“这些模拟解决了两个主要问题:气体能否催化黑洞双星的形成，如果是这样，它们最终能否靠得更近并合并？对于这个解释观测到的引力波信号起源的过程，两个答案都需要是肯定的。”

　　“这些结果令人难以置信地兴奋，因为它们验证了超大质量黑洞盘中的黑洞合并可以发生，并可能解释我们今天观察到的许多或大多数引力波信号，”研究论文的合着者Bence Kocsis教授说。

　　“如果今天或未来观察到的事件中有相当大的一部分是由这种现象引起的，我们应该能够看到类星体和天空中的引力波源之间的直接联系，”哥伦比亚大学的佐尔坦·海曼教授补充道，他是该研究论文的另一位合着者。