偵測到合併黑洞產生的重力波引發了一個有趣的問題：這些黑洞如何靠近足夠近以發生碰撞？馬克斯普朗克天文物理研究所(MPA) 的研究人員認為，其中一些黑洞可能以大質量恆星的形式開始它們的旅程，它們在遙遠的距離上相互繞行——距離是地球與太陽距離的1000到10000 倍。在這些恆星完成生命週期並坍縮為黑洞後，其宿主星系的引力會逐漸扭曲它們的軌道。隨著時間的推移，這個過程會使黑洞更靠近，最終導致它們合併。

雙星系統

宇宙中的許多恆星都不是孤立存在的。與我們的太陽不同，許多恆星都有一個恆星伴星，形成所謂的雙星系統。這些雙星之間的距離在它們的演化中起著至關重要的作用。軌道非常近的恆星經常交換質量，導致複雜而動態的相互作用。

對於大質量恆星，這些相互作用可能導致雙黑洞的形成，最終可能會因重力波的能量損失而合併。相較之下，傳統上認為分離度較大的雙星會悄無聲息地演化，表現得像單星，產生的雙黑洞相距太遠，無法合併。

兩個等質量物體在圓形軌道（左圖）和越來越多的橢圓軌道（向右）上相互繞行的示意圖。雖然所有物體在大多數時間都保持相距很遠，但那些在非常橢圓的軌道上移動的物體每軌道一次都會非常接近地相遇。圖片來源：A. Price-Whelan/Creative Commons CC-BY-SA 許可

重新思考寬雙星演化

然而，最近發表在《天文物理學雜誌快報》上的一項研究挑戰了這種傳統理解。該研究由馬克斯普朗克天文物理研究所(MPA) 研究員Jakob Stegmann 領導，重點介紹了當雙星置於銀河環境中時這種觀點是如何變化的。

寬雙星——相距地球與太陽距離1000 倍以上的雙星——容易受到其宿主星系引力的干擾以及與經過的恆星的近距離接觸。當這些星系影響考慮在內時，研究表明，寬雙星可能會經歷意想不到的劇烈相互作用，影響恆星及其緻密殘餘物。

星系對雙黑洞的影響

這些相互作用是由於將非常寬的雙黑洞結合在一起的極低結合能所造成的。因此，整個宿主星系的引力可以慢慢改變兩個黑洞相互繞行的軌道形狀，並使其越來越細長。在這些高度橢圓的軌道上，兩個黑洞大部分時間都保持著相距很遠的距離，但每次軌道運行都會近距離經過對方一次（見動畫）。

這導致了一個違反直覺的結果：為了使兩個黑洞之間的距離小於幾公里，以便它們能夠合併，我們仍然可以從地球和太陽之間距離的1，000 倍以上。線索在於它們的軌道的橢圓度，由於星系引力的干擾作用，橢圓度會慢慢增加。

銀河系內寬雙星軌道示意圖。在穿過銀河系時，其橢圓度會受到銀河系引力和周圍恆星飛掠的影響，從而導致近距離接觸（插圖）。圖片來源：Jakob Stegmann 等人2024 ApJL 972 L19

對低質量恆星碰撞的影響

這種使兩個黑洞更靠近的機制也可能與寬低質量雙星的演化有關。最近，海德堡MPIA 的研究人員在ESA 領導的蓋亞任務的數據中搜尋了寬雙星。令人驚訝的是，他們發現大約10% 的低質量恆星擁有遙遠的恆星伴星。

雖然像這樣的系統質量不足以形成黑洞，但在這種情況下，MPA 的研究表明，星系的引力可能會驅使恆星發生正面碰撞。這些碰撞不會導致可偵測到的重力波發射，但可能會以高能量耀斑的形式可見，即所謂的明亮紅新星。

雙星研究的進展

這項研究的結果代表了在研究雙星及其緻密殘餘物的大量演化途徑方面取得的進展。雖然先前對寬雙星的研究主要集中在排除太陽附近存在遙遠伴星（稱為“復仇女神假說”），以及了解它們保持分離的上限，但另一方面，很少有人關注研究寬雙星之間的相互作用。隨著蓋亞未來數據發布以前所未有的速度擴大寬雙星目錄，MPA 研究朝著了解它們與銀河系的共同演化邁出了重要一步。

詳細研究它們的動態使我們能夠了解以前認為平淡無奇的系統實際上如何導致宇宙中一些最有活力的瞬變。

編譯自/ scitechdaily