[비즈한국] 宇宙的一半是单身，但另一半却有伴侣。身边有伴侣的恒星被称为双星。由两颗恒星组成的“情侣”在宇宙中非常容易见到。然而，有一种地方却很难见到这种常见的双星，那就是银河系中心超大质量黑洞的周围。
长期以来，天文学家一直认为黑洞巨大的引力会阻碍周围新恒星的诞生。他们认为，这些地方要么因为黑洞的捕食而导致恒星被吞噬，要么是因为最初在黑洞周围气体云无法稳定地汇聚，环境过于极端，根本无法诞生新恒星。
然而，最近天文学家在坚持不懈的观测后，史上首次确认了银河系中心人马座 A* 黑洞周围存在着一颗双星。这不仅包含着“银河系中心黑洞的残酷环境也无法阻挡恒星情侣之爱”的浪漫，还蕴含着更令人惊叹的可能性。
首先，要理解银河系中心人马座 A* 周围的环境有多么恶劣，有必要先看看在那里发现的世界。银河系中心居住着一个质量是太阳400万倍的巨大黑洞。天文学家很早就发现，在距离银河系中心仅几光年的狭小空间内，恒星正以极快的速度绕行。恒星看起来像是被某种质量极大的天体所捕获，但恒星轨道的中心却看不到任何明亮的光源。恒星仿佛被什么都没有的黑暗虚空所束缚。在如此狭小的空间内，要聚集如此巨大的质量，唯一的可能性就是超大质量黑洞。正因如此，天文学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）和赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）与通过数学证明黑洞奇点的物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）一起获得了诺贝尔物理学奖。
此后，人马座 A* 成了天文学家们青睐的热门观测目标，研究也大幅增加。由此，人们开始发现大量像星团一样在黑洞周围高速旋转的恒星群，被称为“S 星团”。此外，其中还有一些非常独特的天体，被称为“G 天体”。第一个 G 天体于 2005 年被发现。它们既不是星团，其行为也像一颗质量巨大的单星。
然而，它们作为单纯的恒星来说体积太大了。此外，在绕人马座 A* 黑洞进行椭圆轨道运动时，它们的体积会大幅波动。远离黑洞时尺寸变小，密度大幅升高；而靠近黑洞时，尺寸会显著膨胀，密度大幅下降。因此，一些天文学家推测，这些可能不是单纯的巨大单星，而是膨胀的气体云。随着靠近黑洞，重力和潮汐力增大，导致气体云可能被拉扯得更开。
这种既像恒星又被膨胀气体云包裹的独特特征，让人们对其起源有了更具戏剧性的想象。例如，原本的 G 天体可能是一对双星。但由于持续受到身旁黑洞强大引力的扰动，双星轨道变得混乱，最终两颗恒星发生了剧烈碰撞。两星碰撞后气体云向四周扩散，形成了今天我们观测到的 G 天体模样。
目前共发现了六个 G 天体。这是一个有趣的假说，但不少天文学家并不完全认同。因为他们认为，在黑洞这个“引力流氓”的存在下，能够稳定绕行对方的双星本身就不可能产生。
然而，终于第一次确认了双星的存在。这次发现实际上非常幸运。首先，细致观测在银河系中心、人马座 A* 黑洞周围游荡的恒星是一项极其困难的挑战。由于恒星和尘埃云密度极高，遮挡了视线，单纯通过可见光观测很难看到。因此，天文学家利用了能够穿透尘埃云的红外波段进行观测。
本次分析利用了智利 VLT 在 2005 年至 2019 年间观测的档案数据。15 年对于研究来说是非常充足的时间，因为绕黑洞飞行的恒星轨道小而快，绕行一圈的周期并不长。此外，更细致的分析还利用了 2019 年以后夏威夷凯克（Keck）望远镜的数据，特别搜寻了长期积累的档案。
天文学家在一直被认为是膨胀气体云的小斑点 D9 中，确认了清晰的多普勒效应迹象。波长交替出现缩短的“蓝移”和变长的“红移”。这意味着两颗恒星交替向地球靠近和远离。这里并不是一颗恒星，而是两颗。这两颗恒星被彼此的引力束缚，在黑洞身旁跳着惊险的华尔兹。
通过轨道可以确定两颗恒星的质量。天文学家推测，其中较重的恒星质量为太阳的 2.8 倍，较轻的恒星质量约为太阳的 73%。这两颗恒星以约 372 天（略长于地球的 1 年）的周期相互绕转，在黑洞旁流浪。
目前，这对双星是极端版本“三体问题”的发生现场。太阳质量 2.8 倍和 0.73 倍的两颗恒星，身旁还有一个质量相当于 400 万个太阳的超大质量黑洞。这三个天体相互施加引力，导致轨道变化变得复杂。特别是三体问题引发双星轨道紊乱的机制，被称为“古在机制”（Kozai mechanism）或“冯·塞佩尔-里多夫-古在机制”。通过模拟，最终这对双星因无法承受黑洞的折磨，预计将在 100 万年后发生碰撞。
更令人感兴趣的是，这对双星的年龄仅有 270 万年。也就是说，这对双星从诞生到发生碰撞，总共只有 370 万年的生命周期。而在其中，已经过去了四分之三即 270 万年。在仅剩下 100 万年寿命的时候，它幸运地出现在我们面前。从天文学角度看，这简直是转瞬即逝的捕捉，是极具戏剧性的幸运。如果人类早一点诞生并观测宇宙，或者望远镜建立得再迟一点，我们可能就会错过这一现场。
本次发现表明，在银河系中心黑洞周围也可以诞生恒星，甚至还存在必须维持稳定轨道才能生存的双星。当然，与普通空间相比，它们的轨道紊乱时间要短得多，但即便如此，也证明了双星至少可以坚持一段时间。这为一直以来是未解之谜的人马座 A* 黑洞周围 G 天体的起源提供了重要线索。这为许多天文学家之前不敢相信的“双星碰撞后仅留下扩散气体云”的假说增添了力证。
银河系中心黑洞也是一个同时发生着大量三体、N 体问题的“头痛”现场。在这种现场发生的“古在机制”也为“银河系中心是如何形成质量达数百万倍太阳的巨大黑洞”这一问题提供了重要线索。
虽然尚不确定，但银河系中心的超大质量黑洞显然也曾有过比较轻盈的时期。如果黑洞周围也能产生不少恒星，那么这些恒星最终也会迎来终局，留下小的黑洞。这些留下的黑洞中，一部分可能通过古在机制等复杂的动力学过程，成为银河系中心黑洞的新食物。通过这种方式，银河系中心的黑洞一点点壮大，达到了如今的水平。随着银河系中心存在双星且正在发生复杂三体机制的确认，我们对于银河系中心黑洞如何“狩猎”的图像也能刻画得更清晰了。
另一方面，在黑洞身旁跳着惊险华尔兹的恒星，也为银河系空间中以极高速度飞驰的“暴走族”恒星——即“超高速星”（HVS）的起源提供了线索。如果双星没有碰撞，而是其中一颗被黑洞吞噬，另一颗幸存，那么剩下的那颗恒星命运就会发生转变，以极高的速度被弹射出去。这就像抓着绳子的一端转动石头，突然松手的情况。其中甚至有以时速 600 万公里的惊人速度飞行的恒星。
黑洞，特别是生活在银河系中心的超大质量黑洞，是一个非常有趣的实验室。因为它施加着最极端的引力，使我们能够在相对较短的时间内确认轨道演化的动力学过程。此外，因为它极端扭曲时空，也是验证爱因斯坦广义相对论的绝佳场所。在其他平静的宇宙中，其影响太过微小难以察觉，但在黑洞周围，相对论发挥作用的证据显而易见。不仅如此，黑洞还是将所有质量聚集在极其狭小区域的舞台。因此，正如斯蒂芬·霍金所思考的那样，黑洞不仅是宏观的，也是微观的。黑洞是牛顿与爱因斯坦的宏观物理学与微观世界量子力学实现“和解”的舞台。
这一次，黑洞再次证明了它作为物理学最后堡垒和最前线的非凡价值。
参考
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54748-3
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立志要让人们了解宇宙之美。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用进行的演化，同时参与讲座和写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书。