對于大多數天文學家和天文愛好者來說，太陽系和類星體是兩個完全不同的世界。但是一項由beat365天文學家領銜的研究工作表明，太陽系内塵埃粒子的行為可以幫助我們理解類星體中心超大質量黑洞的生長。這項研究成果不久前發表在天文核心期刊《Astrophysical Journal Letters》上，随即得到了《自然》雜志子刊《Nature Astronomy》“研究亮點”欄目（Research Highligh）的報導。

“超大質量黑洞”是指比太陽重一百萬倍到一百億倍的黑洞。從上世紀70年代起，人們就意識到超大質量黑洞是解決遙遠類星體光源之謎的關鍵。近二、三十年的天文觀測又表明，甯靜星系的核心也潛伏着超大質量黑洞。銀河系的中心就藏着一個比太陽重四百萬倍的大黑洞。根據天文學家的測算，甯靜星系中的超大質量黑洞很可能是類星體耗盡“燃料”（氣體）後留下的殘骸。

另一方面，通過觀測人們還發現星系在不斷合并。通過合并，小星系可以成長為大星系。既然大星系經曆過合并，那麼一些大星系的核心就很可能藏着兩個超大質量黑洞。這樣的雙黑洞系統能夠長期穩定存在嗎？這是一個與類星體能源、星系活動性以及星系形成演化理論都息息相關的問題。

一些天文學家認為雙黑洞的壽命很短。這是因為星系合并會劇烈擾動恒星和氣體，将它們輸送到星系中心雙黑洞的周圍。這些恒星和氣體通過引力與雙黑洞作用，能夠提取雙黑洞的能量和角動量，導緻兩個黑洞不斷靠近，最終合并成一個更大的黑洞。

超大質量黑洞合并絕對是一起宏偉的宇宙大事件：這個過程将釋放出能量巨大的引力波，其功率不亞于宇宙中所有星系光度的總和，并且整個過程可以持續幾個小時到幾個月之久。不用擔心，雖然這種引力波爆發的功率很大， 但是振動幅度卻很小，因此不會影響我們的日常生活。事實上，每時每刻都有引力波穿過我們的身體，但是你完全感覺不到。

另一些天文學家則持相反的觀點，指出恒星從雙黑洞獲得能量後就會離開星系核心，而氣體也有可能把角動量轉移給雙黑洞。這樣，雙黑洞可以存活很久都不合并。這種情況對緻力于探測引力波的科學家來說，顯然不是個太好的消息。針對恒星和氣體模型的有效性，雙方展開了長期的争論。

陳弦研究員自2016年加入beat365以來，一直在關注類星體中引力波源的形成問題。最近他與合作者注意到除了恒星和氣體，光（電磁輻射）是第三類可以與雙黑洞作用、提取雙黑洞能量和角動量的媒質。

這一想法源自太陽系中黃道光（zodiac light）的形成機制：黃道面内的塵埃通過散射陽光獲得等效的摩擦阻力，因此會逐漸落向太陽（Poynting-Robertson效應）。這種機制之所以對雙黑洞系統起作用，一方面是因為黑洞本身就可能是明亮的光源。根據先前的理論，雙黑洞從合并星系獲得氣體的同時，也獲得了新的燃料，因此可以重新“點燃”類星體。另一方面，氣體落入黑洞前會先形成一個圍繞黑洞的盤狀結構，叫做“吸積盤”（見下圖）。吸積盤的形成大大提升了黑洞吸收電磁輻射的能力。

陳弦等人将雙黑洞和太陽系做了巧妙的類比，将一個被氣體點燃的黑洞看作太陽，另一個帶有吸積盤的黑洞當作太陽系中的塵埃粒子，這樣就可以用現成的方法計算黑洞受到的阻力。計算結果表明，當兩個黑洞的質量相差懸殊時（大約5個量級），上述阻力最為有效、可以讓雙黑洞在氣體耗盡前并合。這意味着類星體中的超大質量黑洞有能力清空周圍的小黑洞，例如比太陽重十幾到幾十倍的“恒星級黑洞”，或者比太陽重幾百到十萬倍的“中等質量黑洞”。這一發現也為超大質量黑洞的成長和引力波源的形成找到了一條新的路徑。

論文原文：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8384

《自然-天文》“研究亮點”欄目報道https://www.nature.com/articles/s41550-020-1091-6