黑洞的旋轉方式可以讓人了解它的起源，特別是對於雙體黑洞來說，雙體黑洞是指兩個在合併前緊密圍繞對方的黑洞。每個黑洞在合併前的旋轉和傾斜可以表明這些黑洞是由一個安靜的星系盤還是由一個更活躍的星團形成的。

圖像描述了麻省理工學院的一項研究發現，就目前而言，已知的黑洞雙星目錄並沒有揭示出關於黑洞如何形成的任何基本情況。圖為模擬超大質量黑洞雙星系統發出的光，其中周圍的氣體是光學稀薄（透明）的。資料來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心

天文學家們希望通過分析迄今為止檢測到的69個確認的雙星，找出這些起源故事中哪個更有可能。但是一項新的研究發現，就目前而言，目前的雙星目錄還不足以揭示出關於黑洞如何形成的任何基本情況。

在發表在《天文學和天體物理學通訊》雜誌上的一項研究中，麻省理工學院的物理學家們表明，當所有已知的雙星和它們的旋轉被納入黑洞形成的模型時，結論可能看起來非常不同，取決於用於解釋數據的特定模型。

因此，一個黑洞的起源可以以不同的方式”旋轉”，這取決於一個模型對宇宙如何運作的假設。

“當你改變模型，使其更加靈活或做出不同的假設時，你會得到一個關於黑洞如何在宇宙中形成的不同答案，”研究的共同作者，在LIGO實驗室工作的麻省理工學院研究生Sylvia Biscoveanu說。”我們表明，人們需要小心，因為我們的數據還沒有達到我們可以相信模型告訴我們的階段。”

該研究的共同作者包括Colm Talbot，麻省理工學院的博士後；以及Salvatore Vitale，麻省理工學院的物理學副教授和Kavli天體物理學和空間研究所的成員。

兩個起源的故事

雙星系統中的黑洞被認為是通過兩種途徑之一產生的。第一條是通過”現場雙星演化”，即兩顆恆星一起演化，最終在超新星中爆炸，留下兩個黑洞，繼續在雙星系統中盤旋。在這種情況下，黑洞應該有相對一致的自旋，因為它們會有時間–先是作為恆星，然後是黑洞，相互拉扯形成類似的方向。如果一個雙星的黑洞具有大致相同的自旋，科學家們認為它們一定是在一個相對安靜的環境中進化的，比如銀河系的圓盤。

黑洞雙星也可以通過”動態組合”形成，即兩個黑洞分別演化，每個都有自己獨特的傾斜和自旋。通過一些極端的天體物理過程，這些黑洞最終被聚集在一起，接近到足以形成一個雙星系統。這樣的動態配對很可能不是發生在一個安靜的星系盤中，而是發生在一個更加密集的環境中，比如球狀星團，在那裡成千上萬的恆星的相互作用可以將兩個黑洞撞到一起。如果一個雙星的黑洞具有隨機定向的自旋，那麼它們很可能是在球狀星團中形成的。

但是，通過一個渠道和另一個渠道形成的雙星的比例是多少？天文學家認為，答案應該在於數據，尤其是對黑洞旋轉的測量。

迄今為止，天文學家已經得出了69個雙星中黑洞的旋轉，這些雙星是由包括美國的LIGO和意大利的Virgo在內的引力波探測器網絡發現的。每個探測器都在傾聽引力波的跡象–通過時空產生的非常微妙的迴響，這些迴響是由極端的天體物理事件（如大質量黑洞的合併）留下的。

對於每一個雙星的探測，天文學家都對各自黑洞的屬性進行了估計，包括它們的質量和自旋。他們將自旋測量結果應用於一個普遍接受的黑洞形成模型中，並發現有跡象表明，雙星既可能有優先的、一致的自旋，也可能有隨機的自旋。也就是說，宇宙可能在星系盤和球狀星團中都產生雙星。

“但是我們想知道，我們是否有足夠的數據來進行這種區分？”Biscoveanu說。”結果發現，事情是混亂的，不確定的，而且比看起來更難。”

旋轉的數據

在他們的新研究中，麻省理工學院的研究小組測試了相同的數據在進入黑洞如何形成的稍微不同的理論模型時是否會產生相同的結論。

研究小組首先在一個廣泛使用的黑洞形成模型中再現了LIGO的自旋測量。這個模型假設宇宙中的一部分雙星傾向於產生具有對齊自旋的黑洞，而其餘的雙星具有隨機自旋。他們發現，數據似乎與這個模型的假設相吻合，並在模型預測的具有相似旋轉的黑洞較多的地方顯示出一個峰值。

然後他們略微調整了這個模型，改變了它的假設，使它預測了一個稍微不同的首選黑洞旋轉方向。當他們把同樣的數據放到這個調整後的模型中時，發現數據發生了變化，與新的預測相一致。在其他10個模型中，數據也發生了類似的轉變，每個模型對黑洞如何偏好旋轉都有不同的假設。

“我們的論文顯示，研究結果完全取決於你如何建立天體物理學模型，而不是數據本身，”Biscoveanu說。”如果我們想提出一個獨立於我們所做的天體物理學假設的主張，我們需要比我們想像的更多的數據。”

只是天文學家還需要多少數據呢？據估計一旦LIGO網絡在2023年初重新啟動，儀器將每隔幾天檢測到一個新的黑洞雙星。在接下來的一年裡可能會增加數百個測量數據，以補充到數據中。

“我們現在對自旋的測量是非常不確定的，”Vitale說。”但是當我們積累了很多，我們可以獲得更好的信息。然後我們可以說，無論我的模型有多大的細節，數據總是告訴我同一個故事–一個我們當時可以相信的故事。”