在距離地球數(shù)十億光年的深空中，兩個黑洞正在進(jìn)行最后的死亡螺旋，它們的碰撞產(chǎn)生的引力波穿越時空到達(dá)地球。然而，中國科學(xué)院上海天文臺的最新研究揭示了一個令人震驚的發(fā)現(xiàn)：這對黑洞并非獨自"共舞"，在它們身后可能隱藏著一個更加龐大的"操控者"。這一發(fā)表在《天體物理雜志快報》上的突破性成果，首次在引力波數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了第三個致密天體存在的明確證據(jù)。

LIGO-Virgo-KAGRA引力波合作組織公布的引力波事件。上海天文臺供圖

韓文標(biāo)研究員領(lǐng)導(dǎo)的團隊通過分析引力波事件GW190814的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了這對質(zhì)量相差近10倍的黑洞在并合過程中存在視向加速度的跡象。這種加速度如同宇宙中的"指紋"，暴露了第三個天體的引力影響，為理解雙黑洞形成機制開辟了全新視角。

從理論構(gòu)想到觀測驗證的科學(xué)突破

這項發(fā)現(xiàn)的根源可以追溯到2018年，當(dāng)時韓文標(biāo)團隊首次提出了一個革命性的理論模型：超大質(zhì)量黑洞與繞其運行的恒星質(zhì)量雙黑洞組成的"三體系統(tǒng)"。在這個系統(tǒng)中，當(dāng)雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近運行時，會受到其強大引力的調(diào)制作用，軌道逐漸收縮并最終發(fā)射出獨特的引力波信號。

這一理論模型迅速引起了國際科學(xué)界的關(guān)注，不僅被歐洲空間局的LISA引力波探測計劃列入官方白皮書，也成為中國空間引力波探測計劃的重要目標(biāo)波源之一。然而，從理論預(yù)測到觀測驗證，科學(xué)家們面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

雙黑洞在超大質(zhì)量黑洞附近并合。上海天文臺供圖

論文第一作者楊舒程博士解釋了選擇GW190814作為研究對象的原因："這個引力波事件中的兩個黑洞質(zhì)量差異巨大，這種極端的質(zhì)量比配置很難通過傳統(tǒng)的雙星演化過程自然形成。這暗示它們可能經(jīng)歷了更復(fù)雜的動力學(xué)過程。"

研究發(fā)現(xiàn)雙黑洞在第三個致密天體附近并合。上海天文臺供圖

團隊的創(chuàng)新之處在于開發(fā)了一種全新的分析方法。他們意識到，如果雙黑洞確實在第三個致密天體附近并合，那么它們繞第三個天體的軌道運動必然會產(chǎn)生視向加速度。這種加速度會通過多普勒效應(yīng)調(diào)制引力波的頻率，在信號中留下可識別的特征模式。

多普勒效應(yīng)中的宇宙密碼

為了捕捉這一微妙的信號，研究團隊構(gòu)建了包含視向加速度效應(yīng)的引力波波形模板。這種模板能夠識別由于第三天體引力作用而產(chǎn)生的頻率變化模式，就像從音叉的聲音變化中推斷出其運動狀態(tài)一樣。

通過對多個高信噪比雙黑洞事件的系統(tǒng)性分析，團隊發(fā)現(xiàn)GW190814的數(shù)據(jù)強烈支持存在視向加速度的假設(shè)。這一發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義，因為它不僅證實了三體系統(tǒng)的存在，還為理解雙黑洞的形成和演化提供了新的線索。

目前，天體物理學(xué)界對于雙黑洞的形成機制存在多種理論假說。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，大多數(shù)雙黑洞來源于孤立雙星系統(tǒng)的演化。然而，越來越多的觀測證據(jù)表明，相當(dāng)一部分雙黑洞可能形成于更復(fù)雜的動力學(xué)環(huán)境中，比如球狀星團、活動星系核的吸積盤，或者如本研究所揭示的三體系統(tǒng)。

這項研究的重要性不僅在于它提供了第三天體存在的直接觀測證據(jù)，更在于它展示了引力wave天文學(xué)在揭示宇宙復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的巨大潛力。自2015年LIGO首次探測到引力波以來，國際引力波探測網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)記錄了超過100個引力波事件，這些數(shù)據(jù)正在重塑我們對宇宙的認(rèn)知。

開啟引力wave天文學(xué)新篇章

韓文標(biāo)強調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)"是國際上首次在雙黑洞并合事件中發(fā)現(xiàn)第三致密天體存在的明確跡象"，這意味著我們對雙黑洞系統(tǒng)的理解需要從根本上進(jìn)行重新審視。許多此前被認(rèn)為是孤立形成的雙黑洞，實際上可能都處于更復(fù)雜的多體引力系統(tǒng)中。

這項成果對未來的引力波天文學(xué)研究具有重要啟示。隨著探測器靈敏度的不斷提升和新一代空間引力波探測器的發(fā)展，科學(xué)家們將能夠探測到更多此類復(fù)雜系統(tǒng)的信號，進(jìn)一步揭示宇宙中大質(zhì)量天體的形成和演化規(guī)律。

從更廣闊的視角來看，這一發(fā)現(xiàn)也體現(xiàn)了中國在引力wave天文學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展和重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)家不僅在理論創(chuàng)新方面取得突破，在數(shù)據(jù)分析技術(shù)和觀測方法上也達(dá)到了國際先進(jìn)水平，為人類探索宇宙奧秘貢獻(xiàn)了中國智慧。