宇宙中存在著許多令人難以想像的天體，其中最神秘莫測的，莫過於黑洞（black hole）。目前已知大多數黑洞都存在於雙星系統（binary system）中，也就是一個黑洞與另一個天體（例如恆星、中子星或另一個黑洞）互相環繞運行。

在這張藝術家繪製的效果圖中，中心黑洞V404 Cygni（黑點）正在吞噬附近的一顆恆星（左邊的橘色體），而第二顆恆星（上方的白色閃光）則在更遠的地方運行。 圖片來源：Jorge Lugo

然而，美國麻省理工學院（MIT）和加州理工學院（Caltech）的物理學家團隊，近期在《自然》（Nature）期刊發表一項令人驚嘆的發現：他們首次觀測到一個「黑洞三合體系統」（black hole triple），這項發現，為我們了解黑洞的形成和演化過程，提供了前所未有的新線索。

科學網站《IFLScience》23日報導，這個新發現的三合體系統，包含一個中心黑洞，以及一個距離較近的恆星，每6.5天環繞中心黑洞運行一次。 這與大多數雙星系統的結構類似。 然而，令人驚訝的是，這個系統中還存在著一個距離中心黑洞非常遙遠的第二顆恆星，估計其公轉週期長達7萬年。

在這個系統中，中心黑洞正在吞噬靠近其軌道運行的恆星，同時一個遠距離的恆星也繞著黑洞運行。 這個奇特的現象，挑戰了傳統的黑洞形成理論。

一般認為，黑洞是由垂死恆星的劇烈爆炸（超新星爆發，supernova）所形成。然而，如果這個黑洞是由典型的超新星爆發形成，那麼它在坍縮前釋放的巨大能量，應該會將周圍任何鬆散結合的天體都拋到遠方。因此，這個遙遠的恆星不應該還存在於這個系統中。

研究團隊推測，這個黑洞的形成過程，可能並非一般劇烈的超新星爆發，而是較為「溫和」的「直接坍縮」（direct collapse）。 恆星在直接坍縮過程中，會直接塌陷成黑洞，不會產生劇烈的能量釋放，因此較不會影響遠處的天體。

由於這個三合體系統包含一顆距離非常遙遠的恆星，這項發現為「直接坍縮」理論提供了強而有力的證據。 雖然天文學家已觀測到許多由超新星爆發形成的黑洞，但這個三合體系統，可能是第一個直接證實黑洞可以透過「直接坍縮」形成的證據。

這個黑洞三合體系統的發現，幾乎是偶然的。 研究團隊在翻閱天文觀測資料庫AladinLite 時，發現了這個位於銀河系中，距離地球約8000光年的天體V404 Cygni。 這個黑洞在1992年被確認為黑洞，並且被大量研究，但之前從未發現它是一個三合體系統。

研究人員分析了過去十年蓋亞（Gaia）衛星所觀測到的恆星數據，發現內外兩顆恆星的運動完全一致，可能性只有千萬分之一。他們計算出，外層恆星與中心黑洞的距離是地球與太陽距離的3,500倍，相當於冥王星與太陽距離的100倍。 如此遙遠的距離，加上兩顆恆星一致的運動軌跡，讓研究人員確信，這是一個黑洞三合體系統。

研究團隊進一步利用電腦仿真，測試了這個三合體系統可能的形成過程。結果顯示，最容易形成這種三合體系統的方式，就是透過「直接坍縮」。此外，外層恆星正處於演化成紅巨星的階段，根據恆星演化模型，研究人員推斷這個系統的年齡約為40億年。