科學通報|恆星級雙黑洞的活動星系核形成通道

近年來，隨着激光干涉引力波天文臺（ LIGO ）等地基引力波探測器的運行，我們已經觀測到了近百例由雙黑洞併合引起的引力波事件。這些雙黑洞的大量發現引發了天體物理學家對它們形成機制的深刻思考。在衆多有關雙黑洞的形成理論中，活動星系核（ AGN ）吸積盤作爲一種可能的形成場所，逐漸引起了研究者的廣泛關注。

AGN 是一類光度極高、輻射極強的星系核，由位於星系中心的超大質量黑洞與周圍的吸積盤構成，這一獨特的環境可能爲雙黑洞的形成和併合提供了理想的條件。

PART.01

AGN吸積盤中雙黑洞形成過程

01

動力學俘獲

動力學俘獲是雙黑洞在 AGN 吸積盤中形成的一個重要機制。包括恆星級黑洞在內的緻密天體可通過核星團與 AGN 吸積盤之間的動力學相互作用被捕獲並嵌入到 AGN 吸積盤中。

02

遷移陷阱(trap)與遷移間隙(gap)

AGN 吸積盤中的黑洞會與氣體盤發生相互作用，進而在AGN吸積盤中遷移。而黑洞可能會由於吸積盤的物理條件被困在某些特殊區域內，這些位置通常被稱爲遷移陷阱。另一方面，黑洞也可在AGN吸積盤上打開一個間隙，在這種情況下，黑洞與進入間隙的氣體發生相互作用，使得其遷移速度變慢。在AGN吸積盤中，預計黑洞會聚集在遷移陷阱和遷移間隙形成的區域。在這些區域，黑洞由於動力學作用或氣體作用，進一步靠近並最終併合。

PART.02

形成於AGN吸積盤上的雙黑洞的天體物理特徵

如果雙黑洞是在AGN吸積盤中形成的，它們可能會有一些其他環境中形成的雙黑洞系統不具有的特徵。在吸積盤內部區域形成的雙黑洞質量比通常較低(約爲0.2)，而預期的有效自旋參數較高(約爲0.4)。吸積盤外部區域形成的雙黑洞質量比相對較高，而有效自旋參數分佈在0附近。此外，吸積盤中的雙黑洞系統可能表現出較高的軌道偏心率，可在引力波信號留下獨特的印記。

PART.03

AGN吸積盤上雙黑洞併合的電磁對應體

由於富含氣體的環境，AGN吸積盤上併合事件的一個關鍵特徵是併合產生的引力波信號可能伴隨有電磁輻射。爲了探索這種可能性，許多雙黑洞併合事件都進行了電磁跟蹤觀測。目前已有與GW150914、GW190521相關的9個候選電磁對應體被提出，包括7個光學耀變和2個伽馬射線耀變。Tagawa等提出的一個較有前景的模型可以解釋光學耀變的特性，在該模型下，伽瑪射線耀變和光學耀變的所有特性都可以通過突破輻射(break-out shock)和衝擊冷卻輻射(shock cooling emission)來重現，其分別由噴流與雙星星周盤(circum-binary disk)和盤風(wind)或AGN吸積盤氣體相互作用產生。

PART.04

展望

AGN吸積盤是雙黑洞併合的理想環境。儘管目前還未證實雙黑洞併合事件可在這些環境中發生，但對雙黑洞併合產生的引力波事件及其可能電磁對應體的觀測有助於我們獲得可能的關鍵性證據。此外，像LISA、太極、天琴這樣的空間引力波探測器計劃在未來十年發射。它們可對雙黑洞進行更長時間的觀測，其對雙黑洞的定位能力也會顯著提高，將揭示有利於產生雙黑洞併合事件的環境，有助於增強我們對雙黑洞形成機制的理解。

楊舒程, 田川寬通, 韓文標*. 恆星級雙黑洞的活動星系核形成通道. 科學通報, 2025, 70(3): 353–362

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0656

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 瞭解科學前沿