近年來，隨著激光干涉引力波天文臺（ LIGO ）等地基引力波探測器的運(yùn)行，我們已經(jīng)觀測到了近百例由雙黑洞并合引起的引力波事件。這些雙黑洞的大量發(fā)現(xiàn)引發(fā)了天體物理學(xué)家對它們形成機(jī)制的深刻思考。在眾多有關(guān)雙黑洞的形成理論中，活動星系核（ AGN ）吸積盤作為一種可能的形成場所，逐漸引起了研究者的廣泛關(guān)注。

AGN 是一類光度極高、輻射極強(qiáng)的星系核，由位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞與周圍的吸積盤構(gòu)成，這一獨(dú)特的環(huán)境可能為雙黑洞的形成和并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(xué)俘獲

動力學(xué)俘獲是雙黑洞在 AGN 吸積盤中形成的一個重要機(jī)制。包括恒星級黑洞在內(nèi)的致密天體可通過核星團(tuán)與 AGN 吸積盤之間的動力學(xué)相互作用被捕獲并嵌入到 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(fā)生相互作用，進(jìn)而在AGN吸積盤中遷移。而黑洞可能會由于吸積盤的物理?xiàng)l件被困在某些特殊區(qū)域內(nèi)，這些位置通常被稱為遷移陷阱。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(jìn)入間隙的氣體發(fā)生相互作用，使得其遷移速度變慢。在AGN吸積盤中，預(yù)計黑洞會聚集在遷移陷阱和遷移間隙形成的區(qū)域。在這些區(qū)域，黑洞由于動力學(xué)作用或氣體作用，進(jìn)一步靠近并最終并合。

PART.02

形成于AGN吸積盤上的雙黑洞的天體物理特征

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(huán)境中形成的雙黑洞系統(tǒng)不具有的特征。在吸積盤內(nèi)部區(qū)域形成的雙黑洞質(zhì)量比通常較低(約為0.2)，而預(yù)期的有效自旋參數(shù)較高(約為0.4)。吸積盤外部區(qū)域形成的雙黑洞質(zhì)量比相對較高，而有效自旋參數(shù)分布在0附近。此外，吸積盤中的雙黑洞系統(tǒng)可能表現(xiàn)出較高的軌道偏心率，可在引力波信號留下獨(dú)特的印記。

PART.03

AGN吸積盤上雙黑洞并合的電磁對應(yīng)體

由于富含氣體的環(huán)境，AGN吸積盤上并合事件的一個關(guān)鍵特征是并合產(chǎn)生的引力波信號可能伴隨有電磁輻射。為了探索這種可能性，許多雙黑洞并合事件都進(jìn)行了電磁跟蹤觀測。目前已有與GW150914、GW190521相關(guān)的9個候選電磁對應(yīng)體被提出，包括7個光學(xué)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(xué)耀變的特性，在該模型下，伽瑪射線耀變和光學(xué)耀變的所有特性都可以通過突破輻射(break-out shock)和沖擊冷卻輻射(shock cooling emission)來重現(xiàn)，其分別由噴流與雙星星周盤(circum-binary disk)和盤風(fēng)(wind)或AGN吸積盤氣體相互作用產(chǎn)生。

PART.04

展望

AGN吸積盤是雙黑洞并合的理想環(huán)境。盡管目前還未證實(shí)雙黑洞并合事件可在這些環(huán)境中發(fā)生，但對雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件及其可能電磁對應(yīng)體的觀測有助于我們獲得可能的關(guān)鍵性證據(jù)。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(fā)射。它們可對雙黑洞進(jìn)行更長時間的觀測，其對雙黑洞的定位能力也會顯著提高，將揭示有利于產(chǎn)生雙黑洞并合事件的環(huán)境，有助于增強(qiáng)我們對雙黑洞形成機(jī)制的理解。

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

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

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